前言
高烈度区高层钢结构消能减震设计分析
消能减震技术是在结构中某些相对变形较大的部位安装消能装置或者将某些非承重构件设计成消能构件，通过消能装置和消能构件大量消耗地震输入能量，达到减震目的[1]。
与传统抗震结构相比，消能减震结构更为安全。传统抗震结构的消能构件就是主体结构构件本身，如框架结构中的框架梁等。由于地震的随机性和结构在设计、计算和施工方面的误差，结构在地震中的破坏位置和破坏程度通常难以精确控制。特别在罕遇地震下，难以确保承重结构构件的安全。消能减震结构中专门设置消能构件大量消耗地震能量，减小结构的地震反应，从而有效保护主体结构的承重构件。消能减震结构中，不同结构构件的功能明确，更有利于提高结构的抗震性能。
1、工程概况
本项目位于云南省某市，地上层数4层，地下室为2层，地上建筑面积17029.03m2，总高度29.65m。地下负2层为车库，地下负1层为超市，地上1~2层为商业，3层为KTV，4层为电影院，屋顶为种植屋面。本工程结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为8度（0.20g），设计地震分组为第三组，场地类别II类，场地特征周期0.45s，建筑物抗震设防类别为重点设防类，采用钢框架结构体系。建筑立面图见图1。
图1 效果图
由于本项目位于高烈度地区，应充分重视建筑结构的抗震性能，尤其在罕遇地震作用下结构的抗倒塌性能，为了提高该结构地震下的安全性，本工程拟采用消能减震设计加强结构的抗震性能。
2、消能减震方案
2.1消能减震技术选择
钢框架结构和钢框架-支撑结结构在高层建筑中应用十分广泛，但纯钢框架结构的抗侧刚度有限，在地震和强风荷载作用下，侧向位移较大，限制了它的应用高度。钢框架-支撑结构在一定程度上解决了结构抗侧刚度的问题，但支撑在中震或强震作用下受压时，易产生屈曲现象，极易造成支撑本身和连接的破坏或失效，同时支撑屈曲后的滞回耗能能力变差，很难有效地耗能，使结构抗震能力降低。为了解决支撑受压屈曲的问题，国外学者经过多年研究，研制出一种可以避免发生屈曲的支撑，称为屈曲约束支撑（BRB）。屈曲约束支撑是由芯材，外套筒以及套筒内无粘结材料组成。虽然BRB形式多样，但原理基本相似，利用刚度较大的外套筒限制中心芯板的屈曲。支撑的中心是芯材，为避免芯材受压时整体屈曲，即在受拉和受压时都能达到屈服，芯材被置于一个钢套管内，然后在套管内灌注填充材料，该填充材料具有一定的强度，又有较好的密实性，且耐久性优越。由于克服了传统支撑受压发生屈曲的特点，屈曲约束支撑在弹性阶段是强度较高的斜撑构件，在核心构件屈服后又是一种性能优越的消能组件，能有效的吸收地震产生的能量[2]。
本工程消能减震设计采用屈曲约束支撑(BRB)作为消能减震部件。一方面，为结构提供足够的刚度，另一方面，阻尼器在大震下进行耗能。虽然阻尼器投资较大，但是增强了本结构的结构安全性，提升了建筑抗震能力，改善了建筑了使用环境，对本建筑有着重大意义。
2.2屈曲约束支撑设计内容
屈曲约束支撑,利用芯材的屈服变形滞回耗能来吸收地震能量，此类消能减震器为位移型阻尼器。针对本工程，其具体设计内容主要包括：
（1）确定YJK软件中结构的等代支撑刚度，确定消能减震器参数和数量，以及消能减震器的安装位置及型式；
（2）计算附设减震器的减震结构在多遇地震作用下的结构响应：
（3）进行弹性时程分析，复核小震下位移角；
（4）罕遇地震作用下，进行弹塑性位移验算，对承载力不足的构件进行相应调整，最后完成与阻尼器相连的连接构件和结构构件的设计。
2.3结构减震目标和性能目标
本工程在多遇地震和罕遇地震作用下的减震目标，以及与消能减震器相连的构件和节点的性能目标及其设计方法如表1，表2所示：
3、消能减震分析
3.1屈曲约束支撑布置方案
屈曲约束支撑是通过杆件屈服变形吸收能量的方式得到抗震、减震效果。因此，屈曲约束支撑宜优先考虑布置在地震荷载作用下轴向变形较大或相对位移较大的位置。在水平地震作用下，应尽量避免支撑体系布置使得结构不对称而产生的总体扭转破坏，因此屈曲约束支撑在框架结构中的布置应遵循对称、均匀、周边、分散的原则。从上述原则出发，本工程的屈曲约束支撑主要布置在四个角部，见图2，同时竖向1~4层连续布置，避免刚度削弱或突变形成薄弱部位。
图2 屈曲约束支撑平面布置图
本工程一共使用66个屈曲约束支撑，通过调整支撑的弹性段来归并，使BRB的种类不致过多，屈曲约束支撑参数性能表见表3
3.2 小震弹性时程分析
本工程使用SAP2000建立结构模型，并进行计算与分析。SAP2000软件具有方便灵活的建模、模拟功能和强大的线性和非线性动力分析功能，模型中屈曲约束支撑采用非线性单元模拟。通过对减震结构进行弹性时程分析，查看屈曲约束支撑在小震下的受力情况，同时复核结构小震下的层间位移角。弹性时程分析时，选取了5条实际强震记录和2条人工模拟的加速度时程曲线，7条时程曲线（图4所示）均满足建筑抗震设计的相关要求如特征周期、加速度峰值、持时等。其中，人工波按II类场地第3组(0.45s)合成，自然波均取自II类场地上的实际记录。图5给出了7条时程曲线平均值拟合反应谱与规范反应谱对比的结果。计算结果表明，在多遇地震作用下支撑的受力均小于屈服承载力，保持弹性仅提供刚度，X向位移角为1/603，Y向位移角为1/589(如图6所示)，满足预定的结构性能目标。
图4 加速度时程曲线
图5 时程反应谱与规范反应谱曲线对比
图6 小震作用下层间位移角
3.3 大震弹塑性时程分析
对原结构和安装屈曲约束支撑之后的减震结构分别进行罕遇地震下的弹塑性时程分析。弹塑性时程分析过程考虑材料非线性；采用小变形假定；不考虑结构的几何非线性。对运动微分方程的求解，选择程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步积分法。弹塑性时程分析过程中，根据规范对所选地震波进行调幅，调幅后的峰值加速度为400cm/s2。选取弹性时程分析中的三条地震波进行大震分析，分析结果取包络值。主体结构框架梁、柱均定义塑性铰。
3.3.1 层间位移角
在罕遇地震作用下，设置屈曲约束支撑的结构与未设置支撑的原结构层间位移角对比见表4，结果表明，罕遇地震下减震结构的层间位移角与原结构层间位移角之比X向为70.5%，Y方向为73.5%，采用消能减震设计后，极大地提高了结构在罕遇地震作用下的抗倒塌能力。
3.3.2 塑性铰分布
为了保证“大震不倒”，结构在地震作用下必须具有合理的耗能机制，允许结构在大震作用下部分构件进入塑性，结构耗能与结构出铰情况及出铰顺序有关。以SAN号波Y方向地震工况为例，主要变形最大时刻结果的非弹性铰结果见图7，结果表明，仅有少量框架梁进入塑性，罕遇地震下各主要构件的性能均满足预定抗震性能目标。
图7 结构整体在SAN号波Y方向地震工况小出铰情况
3.3.3 减震器在大震下的出力及位移
屈曲约束支撑在大震下的出力见表5。根据弹塑性时程的计算结果，在罕遇地震作用下，主体结构所设置的屈曲约束支撑都进入塑性耗能，减少了主体结构的损伤。由屈曲约束支撑的滞回曲线（见图8）可以看出，其符合结构设计意图，滞回曲线饱满，发挥了耗散地震能量的作用。
图8 屈曲约束支撑的滞回曲线
4、结语
通过对工程实例的研究分析，介绍了屈曲约束支撑在高层钢结构结构设计中的具体应用，得到如下结论：
（1）屈曲约束支撑由于没有受压稳定问题，在小震下构件承载力比普通支撑提高2-10倍，在提高了结构抗震性能的基础上，可以使结构的截面尺寸大大减小，实现安全、经济的目的。
（2）在多遇地震作用下，屈曲约束支撑可以为结构提供抗侧刚度，使结构的层间位移角满足规范要求，满足小震不坏的设防目标
（3）在罕遇地震作用下，屈曲约束支撑作为结构第一道防线，支撑率先屈服耗能，减小主体框架结构的损伤，同时屈曲支撑屈服后具有稳定的承载力和延性，实现结构刚度的有限增加和延性破坏机制。
（4）由于屈曲约束支撑布置在建筑外围，能够增加结构的抗扭刚度，满足扭转位移比和周期比要求，解决结构超限问题。
