摘要：钢结构强度高质量轻，但纯抗弯框架的高层建筑由于需要较大的构件尺寸才能满足设计要求，一般需要支撑框架体系来满足高层建筑小震作用下的设计要求。可是，大震作用下，普通支撑构件易发生屈曲失稳。为了满足建筑物大震作用下的结构延性指标，工程设计界一般使用防屈曲约束支撑来保证重要构件在大震作用下构件不发生屈曲失稳退出工作。近年来，国内建筑行业对新建建筑的装配率要求越来越高，由于钢结构就其本身施工工艺而言就是装配式建筑，工程设计施工技术非常成熟，并且在混凝土装配式建筑的成本居高不下的前提下，防屈曲约束支撑-钢结构框架体系被越来越多的建设方所采用。在此前提下，不规则的高层钢结构框架通过增加的防屈曲约束支撑，结构的抗震延性可以得到了大幅度提高。本文通过对同一医院项目在设计阶段使用的防屈曲约束支撑与否等情况进行比较。结果表明：在复杂高层医疗建筑中使用防屈曲约束支撑可以有效减小建筑物的地震反应，并提高其抗震延性。
关键词：防屈曲约束支撑；高层医疗建筑；建筑装配率
Design Comparison of BRB Anti-buckling Restrained Brace for Structural Seismic Ductility Improvement
Chen Peide
Abstract：The strength of the steel structure is high quality and light，but the high-rise building with pure bending frame can meet the design requirements because it requires a large component size. Generally，the bracing- frame system is needed to meet the design requirements under frequent seismic action in high-rise buildings. However，under rare seismic action，ordinary bracing are prone to buckling instability. In order to meet the structural ductility index under rare seismic action of buildings，the engineering design community generally uses anti-buckling restrained braces to ensure that the members do not suffer from buckling or exiting under rare seismic action. In recent years，the domestic construction industry has become more and more demanding for the prefabrication rate of newly buildings. Because the steel structure itself is a prefabricated building in terms of its own construction process，with proven technology in engineering design and construction，comparing with the high cost of the precast concrete building. Under the premise of the failure，the buckling restrained bracing-steel frame system has been adopted by more and more building contractors. Thus the seismic ductility of irregular high-rise steel frame is highly improved by adding buckling restrained bracing in the system. This paper compares the buckling restrained braces used in the design phase of the same hospital project. The results show that the use of anti-buckling restraint braces in complex high-rise medical buildings can effectively reduce the seismic response of the building and improve its seismic ductility.
Key word：buckling-restrained brace；high-rise medical facility；prefabrication ratio.
1.综述
1.1消能减震原理
在现今的结构减震控制设计中，效能减震设计被越来越多地采用，结构的消能减震体系，就是将部分非承重构件（如剪力墙、支撑、连接件等）按耗能构件设计，或者在部分区域设置消能装置。这些耗能构件（或者耗能装置）在小震作用下具有相对充裕的初始刚度冗余，构件本身处于弹性阶段，结构整体具有足够的抗侧刚度来保证小震作用下建筑物不损坏。在中震或大震作用下，结构地震反应的增大将使耗能构件（或耗能装置）先于其他构件进入弹塑性状态，为整体结构贡献较大阻尼，并且在构件自身恢复机制的作用下通过弹塑性滞回变形来耗散地震输入的能量，从而使作用在结构上的地震作用迅速衰减，来避免结构整体出现明显的塑性变形，确保结构整体在中、大地震中免遭破坏。
传统抗震结构与消能减震结构的概念示意可参见下图：
消能减震结构中的耗能构件可以根据罕遇地震作用下的结构位移的反应目标进行设置。耗能构件可以是支撑、节点及填充墙组成。耗能构建的布置通过综合分析合理经济地布置来减小罕遇地震作用对结构的损坏，一般布置在结构变形较大的位置。
1.2屈曲约束支撑构件
1.2.1屈曲约束支撑历史及现状
由于良好的材料性能，在许多现代建筑工程实例中随处可见钢结构的使用。现有的纯钢结构体系大致可分为：支撑框架结构、抗弯钢框架体系和混合结构体系等。其中抗弯钢框架体系由于其施工简便快速、自重相对较轻、抗震性能优越，经常用在多层建筑中。但是对于高层建筑而言，抗弯钢框架体系随着建筑高度的增加相应变柔，控制结构变形需要很大的代价，并且在强震过后，过大的地震反应造成的结构破坏仍需要很高的代价用于修复，极端情况下甚至无法修复。支撑框架体系可以有效减小构件尺寸，其经济性优于抗弯框架体系，但是由于普通钢支撑框架体系容易受压屈曲，并且在大震作用下即使牺牲经济型原则其支撑截面仍不一定能满足设计要求。有鉴于此，业界学者们自20世纪80年代研制出一种在受压时不发生屈曲失稳的新型支撑构件，就是现在熟知的屈曲·约束支撑（Buckling Restrained Braces）简称BRBs。
1.2.2屈曲约束支撑的基本结构及原理
屈曲约束机构、无粘结可膨胀材料、芯材等区段组成了屈曲约束支撑，芯材又可以分成约束屈曲段、转换段和连接段三部分，如图1-2所示。
图1-2 BRBs支撑的基本构成
约束屈曲段，通过外包无粘结膨胀材料及外套钢管的约束作用来避免此段在发生屈服之前的屈曲；
连接段，用以连接BRB支撑与钢框架；
转换段，乃是约束屈曲段的延申段，设置在砂浆和套管，为了该部分不发生弹塑性变形一般会通过增大该段相对约束屈曲段的截面面积或者通过增设加劲肋的措施来保证；
无粘结膨胀材料，位于约束屈曲段的芯材与混凝土（或砂浆）之间的空隙中，一般为橡胶、聚乙烯等材料，用于减少摩擦而产生剪力；
屈曲约束机构，一般由混凝土或砂浆和中空钢套管组成；
屈曲约束支撑与普通支撑的主要区别在于，屈曲约束支撑解决了传统支撑的受压易屈曲问题，使其受压与受拉相差不大。
1.2.3屈曲约束支撑的等效刚度及恢复力模型
屈曲约束支撑的芯材各区段的柔度表达式如下[1]：
由于BRBs支撑的作用就是保证在全截面受压屈服前不发生整体失稳，可得下式：
BRBs防屈曲约束支撑在框架结构体系中支撑能够提供很大的抗侧刚度和承载力。与普通支撑相比，在大震作用下，普通支撑在受压屈曲后，刚度急剧下降，无法为整体结构持续提供抗拉压两个方向下的结构刚度，所以普通支撑在大震作用下很快就失效了。
2.实际工程举例
2.1工程概况
上海某医院新建项目，建筑地下2层，地下室埋深约10m，地下二层高度3.9m，地下一层高度6m，其中主楼地上11层，建筑高度为49.4m，1层层高5.5m，2~3层层高5m，4~11层层高4.25m，设备层高3.9m。
建设单位起初的主楼建筑平面至后期基本没有重大变化，所以在与建设单位配合设计的过程中，结构设计方得以通过增减屈曲约束支撑的布置来观察整个建筑在地震作用下的宏观响应。
现根据时间顺序详细阐述“主楼”设计过程中的支撑修改情况如下：
模型a）根据建筑方案设置的无支撑方案
模型b）每层设置三道屈曲约束支撑
模型c）在每层设置三道支撑的基础上，于1-3层2号楼梯边每层再增设两道屈曲约束支撑。
图2-3 模型c典型平面图
表2-1 结构周期及振型方向
本工况下全楼最大位移比 =1.25（发生在1层）[模型a]
本工况下全楼最大位移比 =1.11（发生在11层）[模型b]
本工况下全楼最大位移比 =1.14（发生在11层）[模型c]
本工况下全楼最大层间位移比 =1.31（发生在11层）[模型a]
本工况下全楼最大层间位移比 =1.23（发生在11层）[模型c]
本工况下全楼最大层间位移比 =1.24（发生在11层）[模型b]
图2-8 Y向正偏心静震（规定水平力）工况的位移
本工况下全楼最大位移比 =1.19（发生在11层）[模型a]
本工况下全楼最大位移比 =1.18（发生在1层）[模型b]
本工况下全楼最大位移比 =1.24（发生在1层塔）[模型c]
本工况下全楼最大层间位移比 =1.26（发生在11层）[模型a]
本工况下全楼最大层间位移比 =1.15（发生在1层）[模型b]
本工况下全楼最大层间位移比 =1.22（发生在1层）[模型c]
图2-10 Y向地震工况的最大层间位移角
本工况下全楼最大层间位移角 =1/322（发生在3层）[模型a]
本工况下全楼最大层间位移角 =1/495（发生在5层）[模型c]
本工况下全楼最大层间位移角 =1/503（发生在3层）[模型b]
分析结果得出，
1.T3（0）=2.7176s，T3（1）=2.1201s，T3（2）=2.0951s
T3（1）/T3（0）=78.01%；T3（2）/T3（0）=77.09%
无屈曲支撑的模型在小震作用下相较无支撑的模型，第三周期扭振的周期明显更大，而且由模型计算结果可知，在结构高区布置更多支撑并不能明显减小结构扭转振型的结构响应。
2.位移比方面，虽然在X方向三个模型普遍存在位移比普遍超过1.20这一限值，但是在Y方向上，布置了屈曲约束支撑的模型位移比均小于1.20。并且从位移比的输出结果可知，在结构高区布置更多的支撑并不能明显减小结构的位移比输出。
3.另一方面，最大位移角遵循[模型（0）]> [模型（1）]> [模型（2）]的规律，可是位移角在带支撑结构的分布并非遵循支撑布置越多，位移角越小的规律。存在部分楼层模型c比模型b更大的情况。
分析以上结果推测，屈曲约束支撑对于增大结构刚度具有与剪力墙相似的作用；同时，根据模型c与模型b的比较可知：设置过多BRB支撑没有明显减小地震位移响应，需要结构设计人员斟酌使用。
3.结语
在使用了屈曲约束支撑的众多钢结构建筑中，相比纯抗弯钢框架或普通钢支撑框架体系，BRBs支撑框架体系更轻，在钢结构高层中对结构的减震贡献效应更明显，并且相同体型高度的建筑单位使用成本更低。并且在大震作用后，一般只要对部分少量的构件进行更换，原结构一般都可以继续使用。对建筑物后期运营维护相当友好。
并且在国内一二线城市规划中对装配率要求日趋提高的今天，BRBs支撑确实能给各种复杂平面布置的高层建筑提供可靠的设计选择。在合理布置BRBs支撑后，部分带屈曲约束支撑的建筑相比PC建筑技术更加成熟可靠，而且在钢材价格不断下降的大背景下，采用带BRBs支撑的钢结构方案日趋成为有预制装配率要求的医院项目的首选结构形式。
但是也正如本文之前所指出的，在同一建筑中过多地堆砌使用BRBs支撑，仍无法得到令人满意的效益成本比。因此需要结构设计人员在使用该体系时合理布置支撑位置，避免无谓的浪费。
参考文献：
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论文作者:陈培德
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第26期
论文发表时间:2019/7/22
标签：屈曲论文; 位移论文; 结构论文; 模型论文; 工况论文; 构件论文; 建筑论文; 《建筑细部》2018年第26期论文;