防屈曲支撑加固混凝土框架抗震性能分析_刘珩
第35卷第1期2013年2月
工程抗震与加固改造
EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting
Vol.35，No.1Feb．2013
［文章编号］1002-8412（2013）01-0023-07DOI：10．3969/j．issn．1002－8412．2013．01．004
防屈曲支撑加固混凝土框架抗震性能分析
刘
［提
珩，赵健，吴徽（北京建筑工程学院
土木与交通工程学院，北京100044）
3D软件对一幢14层普通钢筋混凝土框架结构及要］结合BRB的工作原理，推导了BRB的等效刚度，并采用Perform-
其用BRB加固后的抗震性能进行了非线性对比分析。分析选取了7条涉及50年设计基准期超越概率10%和50年设计基准加速度调整系数根据FEMA356规范选取。通过分析研究了BRB的耗能能力及不同楼层中BRB的期超越概率2%的地震波，
并比较了两种结构的层间位移角值、楼层剪力、构件屈服情况等。分析结果表明，防屈曲支撑（Buckling轴向变形能力，
RestrainedBrace，简称BRB）能提高结构的刚度，具有良好的滞回性能，可以有效地耗散地震能量，能够很好地改善结构的抗震性能及工作性能。
［关键词］防屈曲支撑（BRB）；BRB等效刚度；钢筋混凝土框架；防屈曲支撑混凝土框架；非线性分析［中图分类号］TU746．3
［文献标识码］A
SeismicResistantPerformanceofRCFrameRetrofitbyBucklingRestrainedBrace
LiuHeng，ZhaoJian，WuHui（SchoolofCivilandTransportationEngineering，BeijingUniversityofCivilEngineeringand
Architecture，Beijing100044，China）
Abstract：BasedonworkingprincipleofBRB，theequivalentstiffnessofBRBisderived．WithPerfom-3Dsoftwarenonlinearanalysisona14-storyreinforcedconcreteframeandonesamestructureretrofittedbyusingBRBhavebeencarriedout．Toperformthenonlineartimehistoryverificationanalyses，asetofsevenseismicaccelerationwavesarerequiredtoproducestronggroundshakingatthebuildingcorrespondingto10%and2%exceedanceprobabilityin50yearsrespectively．Theaccelerationmodificationfactorischosensite，
basedonAmericancodeFEM356．Fromanalysisresults，theenergydissipationcapabilityandaxialdeformationofBRBarestudied，andthedriftratio，storyshearforce，yieldingelementsofexistingstructurewithretrofittedonesarecompared．BucklingRestrainedBrace（BRB）hashighhysteresisperformance，canenhancethestiffnessofthestructureandprovidingeffectiveseismicenergydissipation．BRBcanalsopromoteseismicperformanceandeasyofmaintenanceforretrofitstructures．
Keywords：bucklingrestrainedbrace（BRB）；BRBequivalentstiffness；RCframe；BRBconcreteframe；nonlinearanalysisE-mail：liuheng12345@sina．com
1引言
为了减轻地震灾害，许多学者致力于提高建筑
［1］
1994年北岭地震和1995年神户地震中，大量建筑其中不少建筑物就使用了中心支撑，此物遭到破坏，
类建筑破坏的主要特点就是支撑发生受压屈曲。此后，日本、美国及中国台湾的众多研究者对如何防止支撑受压屈曲的问题展开了研究，提出防屈曲支撑（BucklingRestrainedBrace，简称BRB）这一概念，并得到了广泛应用。BRB实质上就是一种新型阻尼器，它在解决好防止支撑受压屈曲问题的同时，使内芯与外部钢套管分离，可以自由滑动，具有良好的抗提高了耗能能力，减小了结构震害。BRB疲劳性能，
按功能可分为三个单元，即：核心单元、约束单元、及脱层单元（见图1）。传统中心支撑与BRB在地震
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物抗震性能的耗能阻尼器的研究。研究结果显
示，在突发性的大地震作用下，传统框架结构很难满足抗震的要求，需要提高建筑物的侧向刚度。通常的做法是在框架结构中增加支撑来提高其侧向刚度，虽然此类中心支撑能提供较大的侧向刚度，但由于其在受压时容易屈曲的特点，降低了它耗散地震能量的能力，使得其抗震性能达不到预期的效果。
［收稿日期］2012-03-02［基金项目］
建设部2008年科学技术项目研究开发项目资助（2008-k2-17）
EarthquakeResistantEngineeringandRetrofittingVol.35，No.1
作用下变形对比见图2所示
。观，采光性能强，最后被选用（加固前、后结构见图3、图4所示）
。
图1
Fig．1
防屈曲支撑构造示意图
Detailingofbucklingrestrained
brace
图3Fig．3
加固前宿舍楼Original
buliding
图2传统支撑与防屈曲支撑在地震作用下的对比Fig．2
DeformationcomparisonoftheraditionalbraceandBRB
BRB技术在国外的结构抗震里得到了广目前，
2002年Suiful公司使用独立设计的BRB对泛应用，
贝弗利威尔希尔医疗大楼进行加固，取得了很好的效果
［2］
。在国内，一些高校和研究机构对BRB进行
图4Fig．4
加固后宿舍楼Reinforcedbuilding
2007年北京建筑合作单位北京工业了研究和试验，
大学高向宇等人设计出适合中国型钢的T字截面和十字截面BRB
［3］
，BRB滞回曲线饱满；2008年8
22.1
建立模型
BRB等效刚度推导［7］
BRB作为防屈曲支撑混凝土框架（BRB
～10月北京建筑设计研究院苗启松与北京建筑工程学院合作，在结构实验室完成了3个全钢结构的BRB试件试验，优化和改进了防屈曲支撑设计能够具有良好的耗能性能。
但BRB能否和框架结构良好组合，支撑本身的滞回特性能否在框架结构中得到体现，这一新的问题又摆在研究人员面前。本文主要针对一个实际工程进行非线性分析
［5］
［4］
ConcreteFrame，简称BRBCF）的主要耗能构件，由不同刚度的工作段组成，如何确定BRB的等效刚度及如何对BRB等效刚度进行折减将直接影响BRBCF的相关设计：是能否达成BRB先屈服、梁柱最后屈服的屈服顺序，实现BRB第一道次屈服、
抗震设防的重要指标。推导出BRB刚度折算方法，将有利于在通用的大型计算软件中更加精确地模拟BRBCF的受力变形全过程，来指导结构设计。
如图5所示，把BRB按刚度划分为4个区段：梁柱交接区、连接段、过渡段、耗能段。设梁柱交接L2，L3，L4；面区、连接段、过渡段、耗能段分别为L1，A2（近似取BRB端头连接处的面积），积分别为A1，
A3，A4；刚度分别为K1，K2，K3，K4，梁柱交接区刚度无穷大K1=∞，考虑钢材弹性模量为E。则BRB的等效刚度为：
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February
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。
BRB试验结果表明，通过解决支撑受压屈曲问题，
。
［6］
该工程位于洛杉矶南加州大学，是该学校的
学生宿舍楼（见图3），始建于1972年，共14层，首其余层层高均为2.67m，首层长层层高4.47m，
32m，宽19.1m。结构类型为框架结构，由于此建筑结构为非延性钢筋混凝土框架，同时建造时间较早，
采用延性很小的预应力梁，抗震性能较差。BRB支撑既能提供良好的抗震性能，又能减小工程内部工作量，不打扰学生的学习和生活，且加固后效果美
图5Fig．5
BRB刚度折算示意图
BRBStiffnesscalculationchart
11111
=+++KK1K2K3K4K=
1
1111
+++K1K2K3K4
=
1
=
L3L4L2
++EA2EA3EA4
EA2A3A4
A2L3L4+A3L2L4+A4L2L3
（1）
2.2
线弹性模型的建立
［8］
图6Fig．6
原ETABS模型Originamodel
在建立非线性模型之前，为了确定加固的BRB框架中梁、柱尺寸及BRB型号，根据建筑所在地的采用ETABS建立了50地震分组类型和地质情况，
年设计基准期超越概率10%的反应谱函数，进行了线弹性分析
［9］
（原框架结构模型见图6，加固后框架
为实现原有框架与结构见图7）。在建模过程中，
BRB框架的内力传递，模拟多个刚度很大的钢销固定在梁、柱之间，达到了良好的传力效果。
根据ETABS分析结果确定出的BRB框架中的梁、柱及BRB的具体尺寸和型号：
（1）框架梁：尺寸与原框架一致，采用混凝土强
2
度为34.5N/mm的普通混凝土；（2）框架柱：635
图7Fig．7
加固后ETABS模型Reinforcedmodel
2.3非线性模型的建立
3D［10］软件建立非本文采用CSI公司的Perform-
mm×762mm，采用混凝土强度为34.5N/mm的普通混凝土；（3）BRB：参数祥见表1所示。
表1
BRB相关数据
BRBdata
中震下轴向变形限值（%）
2.123.043.043.043.04
大震下轴向变形限值（
%）
2.123.043.043.043.04
2
Perform-3D作为专业的结构非线性分析线性模型，
软件，能够给出较好的非线性分析结果（原框架结构模型见图8，加固后框架结构模型见图9）。在建模过程中，把楼板定义成刚性隔板，而楼板的质量与质量惯性矩（MMI）可根据之前的线性分析结果得Concrete出。梁、柱则采用了FEMABeam/Column，Type模型，通过软件计算出杆件的弯矩－曲率关系，再把曲率乘以塑性铰长度就可以得出所需的弯矩－转角关系，即杆件的骨架曲线。BRB杆件采用给定所需BRB的承载力软件中默认的BRB单元，
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Table1
楼层11～148～115～82～51～2
承载力理论值（kN）1023.11690.32001.72535.53113.8
屈服强度（N/mm2
）289.6289.6289.6289.6289.6
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及相关尺寸即能建立。在模型中，外边框柱、梁及BRB杆件均为非线性杆件，参与消耗地震能量，而内柱为线性杆件，不参与耗能。此外，在建模过程中，梁、柱杆件工作性能的划分参照规范FEMA356［11］中基于功能设计方法的3个阶段，即：IO（即时使用）、LS（生命安全）、CP（防止倒塌）。最后，为了方便分析，模型中底层柱均与基础固接
。
加速度在0.2T到1.5T（T结构的自振周期）下的平均值不小于该地区阻尼比5%反应谱曲线在0.2T到1.5T（T结构的自振周期）下平均值的1.4倍。此调整系数即为地震波的加速度调整系数
。
图10Fig．10
CORRALIT地震波
CORRALITseismic
waves
图83D模型原Perform-Original
model
Fig．8
图11SRSS反应谱曲线与设计反应谱曲线对比图
ComparisonofSRSSresponsespectcurvedesignedresponsespect
Fig．11
3
图9
3D模型加固后Perform-Reinforcedmodel
Fig．9
分析结果
在分析过程中，一组地震波中含有东－西向及南
－北两方向地震波，同时激振所需分析的结构，本文所取数据均为在地震波持续时间内东－西向相应楼层或构件的最大值。为了使分析结果更为精确和稳在层间位移角图、楼层总位移图、楼层剪力图、定，
BRB轴向变形图中都采用了7组数据的平均值。
在图12中，曲线1是中震情况下原有框架结构层间位移角曲线，曲线2是中震情况下加固后结构的位移角曲线，曲线3是大震情况下加固后结构位移角曲线。从图中可看出原有结构在中震情况下出现的位移角超过美国规范2%层间位移角的要求。采用BRB加固后，结构刚度增大，减小了结构的层间位移角，在中震情况下各层层间位移角在1%左右，较加固前缩小了1倍以上。同时可以看出，在大震情况下各层层间位移角约为1.5%，仍小于规范2%的规定。此处由于原结构在大震情况下严重破坏，软件不予计算，故此处和图13只给出原结构中震情况下的分析结果。
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2.4地震波及加速度调整系数选取
线弹性分析过程中，根据要求，采用了相应地区
阻尼比为5%的50年设计基准期超越概率10%的反应谱函数曲线对结构进行分析。在非线性分析中，根据FEMA356规范要求，采用了7条涉及50年设计基准期超越概率10%（简称中震）和50年设计基准期超越概率2%（简称大震）的地震波，同时针对原有结构及加固后结构进行时程分析。
加速度调整系数根据FEMA356规范进行计算（见图10，图11），与现行中国建筑抗震设计规范（GB50011-2001）［12］方法不同。FEMA356规范中首先选取一组含有东－西及南－北两方向的地震波，对两组地震波数值进行平方和开根号（SRSS）合并成一条地震波，采用软件把合并后的地震波转化为反应谱曲线，再乘以调整系数，使得合并后的反应谱
图13为楼层总位移图。采用原有框架结构和加固后结构同时经历中震时的情况进行比较。从图中可以看出，经加固后的框架楼层总位移比加固前减少了近一倍。图14给出了在中震情况下加固结构中的楼层剪力分布情况以及不同结构所占楼层剪力的情况。从图中可以看出BRB承担了大量的楼几乎占到楼层总剪力的2/3以上。在图15层剪力，
中，则是加固后结构在大震情况下，不同结构所占楼BRB同样占到总剪力的2/3
。层剪力的情况，
Fig．15图15
大震下结构东西向楼层剪力值
（7组波平均值）Shearvaluesoffloors
（majorearthquakesevengroupsofwaves
）
图12Fig．12
东西向层间位移角（7组波平均）Driftratioofstructureeast-west（sevengroupsofwaves
）
图16中震下各构件屈服情况（CORRALIT）
Componentyieldstateunder
Fig．16
moderateearthquake（CORRALIT
）
图13Fig．13
东西向楼层总位移（7组波平均）
Totalfloordisplacementvaluesoffloors
witheast-weststructure（sevengroupsofwaves
）
图17Fig．17
大震下各构件屈服情况（CORRALIT）Componentyieldstateundermajorearthquake（CORRALIT）
在图16、图17中，分别给出了其中一条地震波
图14
Fig．14
中震下东西向楼层剪力值（7组波平均值）
Shearvaluesoffloorsundermoderateearthquake（sevengroupsofwaves
）
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作用下各非线性构件在中震与大震情况下的屈服情在中震情况下，大部分况。从图16中可以看出，
BRB构件已经率先屈服，开始耗能。同时，部分框虽然少量柱也架梁及少量框架柱也进入屈服状态，
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屈服了，但并未达到CP（防止倒塌）状态，结构仍有更多的BRB构件发生良好的延性。在大震情况下，
屈服，发生屈服的框架梁及框架柱的数量也开始增但结构仍有较好的延性。加，
图18、图19分别给出其中一条地震波作用下各非线性构件在中震与大震情况下的耗能情况，图Y轴方向中坐标X轴方向代表地震波的持续时间，代表该构件耗能的百分比。深色区域为发生非线性变形的各构件随地震持续时间的总耗能情况，浅色区域为不同构件（柱、梁和BRB）随地震持续时间的
各自耗能情况。可以看出，柱构件消耗了最少量能梁构件消耗的能量次之，大部分的地震能量由量，
BRB构件消耗，在中震情况下约占总能量的61%，在大震情况下约占73%（其余6条地震波作用下各构件的耗能情况与此类似）。在框架结构中，结构主要是利用自身构件的塑性变形能力抵御地震作由此可以推断在地震作用时，相对梁、柱而言，多用，
开始耗能，在整个结构数BRB构件率先进入屈服，体系中起到了第一道抗震设防作用
。
图18
Fig．18
中震下非线性构件的耗能情况（CORRALIT）
Energydissipationofnonlinearmembersundermoderateearthquake（CORRALIT
）
图19
Fig．19
大震下非线性构件的耗能情况（CORRALIT）
Energydissipationofnonlinearmembersundermajorearthquake（CORRALIT）
在图20中，曲线1为大震时BRB的轴向变形情况，曲线2为中震时BRB的轴向变形情况，曲线3为BRB在不同楼层的轴向变形限值。从中可以看出，在中震时BRB的轴向变形没有超过BRB核心耗能段的1%，而大震时最大值也未超过2%。因BRB在提高结构刚度和耗散地震能量的情况此，
下，自身变形并未超过BRB的最大变形限值。一般BRB产生最大变形的位置在结构底部。4
结论及近期展望
近年来为了减轻地震灾害对建筑结构的损坏，BRB许多学者致力于提高建筑物抗震性能的研究，是其中一项得到广泛应用的研究成果。
较传统中心
图20Fig．20
BRB轴向变形与限值的比较（7组波平均值）ComparisonsbetweenBRBaxialdeformationandlimits（meanofsevenwaves）
BRB由于良好的工作性能及耗能能力，支撑而言，
已在国内、外加固建筑中广泛使用。本文通过对南
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加州大学一幢学生宿舍楼加固前与BRB加固后的得出以下结论：（1）较其线弹性分析及非线性分析，
BRB在能提高结构抗震性能的同它加固方法而言，
又达到了加固后结构美观，且基本不改变采光的时，
效果。（2）采取BRB能够提高结构的刚度，大幅度减小楼层的总位移及层间位移角，不仅使结构的层并且使结间位移角在中震作用下减小了1倍以上，
构的层间位移角在大震作用下仍然满足规范要求。（3）在加固后的框架中，BRB承担了绝大部分的楼层剪力，占2/3以上。（4）在中震和大震情况下，结构中大量BRB屈服，结构进入非线性变形阶段，少量框架梁及框架柱也出现屈服现象，但结构仍保持良好的延性。（5）通过地震时各构件耗能情况的比中震情较可以看出BRB消耗了大部分的地震能量，而在大震情况下则占到总能况下占总能量的61%，
量的71%，成功的完成了第一道抗震设防作用。（6）在非线性变形过程中，BRB在耗散大量地震能量的同时，其轴向变形并未超出其轴向变形的限值要求。
致谢：感谢Saiful/BouquetStructureEngineersInc．的SampsonHuang博士为分析提供相关结构资料，使此次分析能顺利进行。
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［作者简介］刘珩（1986～），男，江西南昌人，硕士研究生，研究方向：结构工程
EarthquakeResistantEngineeringandRetrofittingVol.35，No.12013