王 穎，陳克偉，潘福婷

(建筑結構安徽省普通高校重點實驗室(安徽新華學院)，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著經(jīng)濟發(fā)展，在節(jié)能、環(huán)保、高效的綠色建筑背景下，鋼框架結構得到快速發(fā)展，結構形式也變得復雜多樣。而不規(guī)則鋼框架結構在地震作用下的安全問題，更應該引起重視。將BRB設置在不規(guī)則鋼框架結構中，形成BRB支撐不規(guī)則結構耗能減震體系，BRB支撐在拉壓作用下能夠達到全截面屈服而不屈曲[1]，可有效地提高結構的延性及抗震能力。不規(guī)則結構的抗扭問題成為約束此類結構應用的重要因素。研究BRB與不規(guī)則結構的合理剛度比可以更好地控制其扭轉和地震作用，對提高其安全性具有很好的實用價值[2]。這種支撐結構體系在保證結構抗震能力的同時，還可有效減少結構的用鋼量[3]，提高經(jīng)濟效應，促進不規(guī)則鋼框架結構的發(fā)展和應用。

1 BRB-框架結構體系協(xié)同工作模式

BRB-框架結構體系是依靠BRB的屈服耗能達到結構抗震設防的目標。在多遇地震作用下，BRB與框架都為彈性狀態(tài)，實現(xiàn)小震作用下不壞的結構抗震目標；設防烈度地震作用下，BRB進入屈服耗能階段，框架結構局部發(fā)生塑性變形，修護后可以繼續(xù)使用，實現(xiàn)中震可修的結構抗震目標；罕遇烈度地震作用下，BRB與框架都發(fā)生不同程度的塑性變形，可通過合理控制塑性鉸發(fā)生的位置及發(fā)生的順序，從而實現(xiàn)大震不倒的結構抗震目標。為了達到各級地震作用下的抗震目標，必須依據(jù)結構特點進行BRB的合理設計與布置，確定支撐的剛度及布置形式。

2 BRB層間布置形式

BRB的層間布置形式有多種，每種布置形式都有其各自的優(yōu)缺點，因此需要結合建筑結構的外形、門窗位置、設備功能、支撐的耗能、空間利用及強柱弱梁等受力性能等多方面進行綜合考慮。同時BRB沿豎向的布置，也會影響結構的減震性能。通常BRB沿豎向設置在樓層越低的位置，其結構的減震效果越明顯，但考慮豎向剛度的不均勻會導致豎向結構的不規(guī)則性，BRB最好沿結構豎向所有的樓層均勻設置。BRB的層間布置形式如圖1所示。

圖1 BRB層間布置形式

3 BRB等效剛度計算

BRB是一種新型的支撐類型，由外圍約束機制、芯材、無粘結材料3個主要組成單元。在軸向力下，BRB支撐是依靠中間屈服芯材的塑性變形來消耗地震能量的。外圍約束套筒可防止內(nèi)部芯材受壓過程中發(fā)生屈曲失穩(wěn)情況，保證其在受拉、受壓時均處于全截面屈服的狀態(tài)。為實現(xiàn)理想的耗能效果，芯材常采用中低強度的鋼材，通常芯材的縱向由連接段、過渡段及耗能段共3個部分組成(圖2)。

圖2 BRB支撐縱向組成

BRB縱向的3段截面面積、剛度都不同，A1、A2、A3分別是連接段、過渡段、耗能段的截面面積。實際工程中，需對BRB進行等效剛度簡化處理[4]，在計算彈性狀態(tài)下的BRB等效剛度時通常是忽略其縱向的連接段、過渡段截面改變，芯材按照全長截面面積不變的情況考慮，均為A3，則BRB等效剛度為

(1)

當BRB進入塑性耗能階段，縱向的過渡段與連接段都處在彈性的范圍，而屈服耗能核心段則處于塑性，此時BRB等效剛度的計算不同于彈性狀態(tài)[5]。

4 BRB與結構抗側剛度比

BRB-框架結構體系中，BRB與框架共同承擔水平荷載，其結構體系的抗側移能力為BRB和框架結構抗側移能力之和，其力學模型可表示為3線形(圖3)。隨著水平荷載的增大，整個體系經(jīng)歷彈性狀態(tài)、BRB屈服狀態(tài)、框架整體屈服狀態(tài)3個階段。

圖3 BRB支撐-結構體系的簡化力學模型

針對BRB-框架結構體系，通常BRB首先進入屈服狀態(tài)，因此需要限制BRB的抗側剛度的大小。若BRB側向剛度太大，雖然能夠增強結構體系的抗側移水平，但會增大其地震響應；反之，若BRB側向剛度太小，則達不到地震作用下所需的抗側移能力。因此，為達到BRB-框架結構體系較好的抗震目標，需要設計BRB-框架結構合理的抗側剛度比。BRB初始剛度KB計算，需要結合BRB的布置方式確定[6]。結構的抗側剛度KF用D值法來求解，BRB與結構的抗側剛度比定義為KD=KB/KF。

分析BRB與結構的不同剛度比KD，如何達到地震作用下BRB-框架結構體系側移值最小。對于研究某一特定的結構，其結構KF值是一定的，而剛度比值KD同選擇的BRB相關，可依靠調(diào)整BRB的抗側剛度來改變KD值，從而實現(xiàn)BRB-框架結構體系的協(xié)同工作，減弱結構的地震響應，實現(xiàn)結構的抗震設防目標。

5 實例驗算

以文獻[7～8]中某L形鋼結構工程實例為分析對象。采用MIDAS對L形不規(guī)則框架結構進行多遇地震分析，BRB支撐在MIDAS中采用邊界條件中的滯后系統(tǒng)來模擬。梁與柱節(jié)點為剛性連接，樓板剛性假定，BRB采用倒V形設置，BRB與梁、柱之間連接形式為鉸接。

圖4 支撐布置

改變BRB與L形鋼框架的KD比值，BRB芯材的截面尺寸也隨之改變。進行結構抗震動力分析時，首先計算結構的抗側剛度KF，然后選擇抗側剛度比KD依次為1、2、3、4、5，分別計算出相應的BRB等效截面面積A3，選擇合理的支撐截面參數(shù)，最后分析不同支撐參數(shù)、不同剛度比KD對結構頂層位移、層間位移角等地震響應的影響。

通過合理設置BRB的數(shù)量和位置，可以控制不規(guī)則結構的扭轉，實現(xiàn)結構的耗能減震。在單BRB支撐與同方向總BRB支撐的剛度比一定的情況下，對于L形不規(guī)則結構，在結構轉角、肢端布置數(shù)量一致的BRB(圖4)，即支撐剛度平均分配，是取得結構抗震效果最有利的方案[9-11]。

表1 模型的前三階自振周期(S)

地震波采用EL-centro波、Taft波與Lanzhou波3種，通過研究BRB與結構抗側剛度比KD為1、2、3、4、5的5種支撐方案，得到多遇地震下不同的結構地震響應及控制不規(guī)則結構地震效應的結果，因篇幅限制，只列EL-centro波的分析結果(表1和圖5～8)。

結構的自振周期體現(xiàn)了結構剛度的改變以及結構對外部因素的響應結果。表1列出了當V支撐與單斜向支撐在剛度比為2時的前3階周期。

圖5 單斜向布置時各方案X、Y方向層間位移角

圖6 倒V形布置時各方案X、Y方向層間位移角

圖7 單斜向布置時各方案X、Y方向樓層最大剪力

圖8 倒V形布置時各方案X、Y方向樓層最大剪力

由表1可看出，BRB布置成單斜向方式和倒V形方式的結構體系自振周期很相近，單斜向布置略大于倒V形，這表明BRB-框架結構體系在BRB單斜向布置時的抗側剛度同倒V形布置相比略小。

分析圖5～6可以得出，對比5種不同的抗側剛度比方案，當L形不規(guī)則框架結構KD在1～5范圍內(nèi)改變時，BRB單斜向布置時X方向最大的彈性層間位移角是1/491,Y方向的最大彈性層間位移角是1/424；BRB倒V形布置時X方向最大的彈性層間位移角是1/563,Y方向最大彈性層間位移角是1/512,5個設計方案都未大于規(guī)范1/250的限值。整體分析可得出，KD從1增大5，層間位移角均出現(xiàn)下降的趨勢；KD小于2時，框架結構最大彈性層間位移角值是偏大的；KD大于2時，倒V形與單斜向布置相比，有較好的吻合度；但隨著KD變大，結構層間位移角下降程度減緩。這表明，僅僅依靠增大BRB支撐面積來降低結構的彈性層間位移角是不可行的。分析圖7～8可知，在多遇地震下，此12層不規(guī)則框架處在彈性狀態(tài)，未出現(xiàn)塑性變形；但隨著KD的增大，底層剪力出現(xiàn)增大趨勢；BRB單斜向布置時最底層剪力的最大值比倒V形大。

6 結論與討論

通過改變BRB的截面面積，從而實現(xiàn)BRB與結構不同抗側剛度比KD的要求。對比分析了在不同抗側剛度比KD，不同BRB布置方式下不規(guī)則框架結構的多遇地震響應，可得到以下結論。

(1)隨著KD增大，結構的層間位移角均出現(xiàn)減小的趨勢，但減小的幅度隨之也變緩，通過對比分析，BRB-框架結構的抗側剛度比KD在2～4范圍內(nèi)是比較合理的。同時分析可知倒V形布置與單斜向相比，有較好的擬合度。

(2)BRB布置成單斜向方式與倒V形方式的結構體系自振周期很相近，且單斜向布置略大于倒V形，這表明BRB-框架結構體系在BRB單斜向布置時的抗側剛度同倒V形布置相比略小。

(3)增大BRB與結構的抗側剛度比值KD，則結構的底層剪力也相應地增大。相同KD值情況下，倒V形布置與單斜向比較可更好地減小底層的剪力，削弱結構體系的地震響應，達到結構消能減震的目的。