某高烈度地区钢筋混凝土框架BRB结构弹塑性分析

某高烈度地区钢筋混凝土框架BRB结构弹塑性分析

杨璜

关键词：设计方案；弹性和弹塑性时程分析；结果

前言

随着减隔震技术的日趋成熟，中国部分高烈度地区已强制要求部分公建采取减隔震措施，如学校医院等。因此，为验证减震措施对整体建筑物的改善效果情况，对某高烈度地区的钢筋混凝土框架结构采用屈曲约束支撑的减震方案进行弹塑性分析，观察期结构的抗震性能。

1工程概况

本拟建项目采用钢筋混凝土框架结构体系，平面图见图3。此项目上部结构5层，建筑高度为21.3m，采用BRB消能减震设计。该拟建项目位于8度（0.20g）抗震设防区，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类；框架抗震等级为一级，抗震构造措施提高一级。由于拟建项目位于高烈度地区，应充分重视建筑结构的抗震性能，尤其是罕遇地震下结构的抗倒塌性能，为了提高该结构地震下的安全性，本工程拟采用防屈曲支撑（BRB）进行消能减震设计。

2结构设计方案

消能减震结构主要是通过设置消能减震装置以控制结构在不同烈度地震作用下的预期变形，从而达到不同等级的抗震设防目标。针对本工程，主要采用屈曲约束支撑（BRB）进行消能减震设计，其具体设计内容主要包括确定BRB的安装位置及型式，通过试算确定BRB参数和数量，计算附设BRB的减震结构在多遇地震作用下的结构响应；罕遇地震作用下，进行位移验算，最后完成与BRB相连的连接构件和结构构件的设计，承载力不足的构件进行相应调整。

3屈曲约束支撑的力学模型

3.1BRB屈服力

屈曲约束支撑（BRB）为轴心受力构件，其核心截面在轴向力作用下可全截面屈服，故其屈服力按下式计算：

4结构模型概述

本工程是钢筋混凝土框架结构，并附加屈曲约束支撑（BRB），使用大型有限元分析软件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。此模型根据YJK模型得到，SAP2000模型如图所示：

在进行弹塑性时程分析时，结构的非线性行为均体现在上部结构中，因此SAP2000模型采用不带地下室的结构模型。

5地震波的选取

《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）5.1.2条规定：采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。从工程角度考虑，这样可以保证时程分析结果满足最低安全要求。但计算结果也不能太大，每条地震波输入计算不大于135%，平均不大于120%。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）对5.1.2条的条文说明，所谓“在统计意义上相符”指的是，多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。

本文选取了实际2条强震记录和1条人工模拟加速度时程曲线。对比结果如表所示。

140号波—1980年VICTORIA，MEXICO地震VICTORIAHOSPITALSotano台站记录，

142号波—1979年ImperialValley-06地震ElCentroArray#12台站记录。

7结构弹塑性时程分析

在SAP2000中，使用连接单元Plastic（Wen）准确模拟屈曲约束支撑（BRB），主体结构框架梁、柱均定义塑性铰。

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。对于运动微分方程的求解，选择程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步积分法，Alpha系数为-0.25。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三条地震波140号波、142号波和R02号波，分析结果取包络值。

为了分析结构在不同地震波、不同地震输入方向作用下结构的弹塑性性能，对结构进行单向地震输入作用下的弹塑性动力性能进行分析，得出结构地震作用响应结果，如层间位移角、地震剪力、位移、塑性铰分布等，详见下节。

针对便于对BRB周边子结构进行设计，本工程建立弹塑性模型时，对于子结构梁柱构件未设置塑性铰，以便于获得子结构在大震作用下的弹性内力，进行后续的子结构设计，塑性铰设置如下图所示：

8结构各参数弹塑性分析结果

8.1层间位移角

8.2结构出铰情况

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），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。本节分别列举了140号波、142号波、和R02波在地震作用下的出铰顺序，来说明结构在弹塑性分析过程中的变化情况。

下图给出了结构在140号波X向单向输入时结构构件出铰情况：

9结语

本报告对结构的整体模型进行了弹性和弹塑性时程分析，采用不同地震波分析了结构在X向单向和Y向单向地震输入时结构的抗震性能，主要结果总结如下：

（1）小震地震作用下，结构主体弹性，屈曲约束支撑也处于弹性阶段，未进入屈服耗能阶段，此时BRB仅作为普通支撑参与结构抗震。

（2）罕遇地震作用下构件开始进入塑性，框架梁优先出现梁铰，而后，柱子出现柱铰，结构总体满足“强柱弱梁”的要求。

（3）结构在大震作用下，只有部分构件进入塑性，出现塑性铰，结构层间位移角为：X向最大为1/125，Y向为1/115；表明结构附设了防屈曲耗能支撑（BRB）后，具有了良好的抗震耗能机制，保证了结构的安全。

（4）罕遇地震作用下，各个防屈曲耗能支撑（BRB）均进入塑性，发挥了良好的耗能能力，为结构主体提供了良好的安全保证。