$高层钢结构住宅建筑中防屈曲耗能支撑技术的研究与应用_章宏东

第41卷增刊2011年4月建筑结构

Building Structure

Vol．41

Apr．

2011作者简介：章宏东，硕士，工程师，Email：23539907@qq．com。

高层钢结构住宅建筑中防屈曲耗能支撑

技术的研究与应用

章宏东1，方鸿强1，王珏2

（1中国汉嘉设计集团股份有限公司，杭州310005；2浙江东都建筑设计院，杭州310005）

［摘要］本文结合工程实例，介绍了防屈曲耗能支撑技术的基本工作原理、应用类型和优点。对结构

进行多遇地震作用下弹性分析和罕遇地震作用下的动力弹塑性。在抗震设防高烈度区的高层建筑中采用防屈曲耗能支撑技术，有着显著的耗能作用，建筑结构整体屈服机制良好，能有效提高结构的整体抗震性能，在高层钢结构住宅建筑中与轻骨料混凝土和轻质墙体材料配合使用，综合造价大幅度降低，效果更好，具有非常好的应用前景。

［关键词］高层钢结构住宅；抗震设计；防屈曲耗能支撑技术；动力弹塑性分析

中图分类号：TU352．1文献标识码：A文章编号：1002-848X（2011）S1-0142-05

Study and application of BRB in the high-rise steel residential building

Zhang Hongdong1，Fang Hongqiang1，Wang Jue2

（1Hanjia Design Group Co．，Ltd．，Hangzhou310005，China；

2Zhejiang Dongdu Architectural Design and Research Institute，Hangzhou310005，China）

Abstract：The fundamental mechanism，categories and advantages of BRB（buckling restrained brace）are carefully illustrated through its application in a high-rise steel residential structure．The elastic analysis under frequently occurred earthquake，and elasto-plastic time history analysis unde

r rarely occurred earthquake are taken．In regions of high seismic intensity，adapting BRB in the high-rise steel structures can greatly improve its energy-consuming quality．Thus the overall yielding mechanism is good．It is believed that BRB has a wide-range application prospect．

Keywords：high-rise steel residential building；seismic design；BRB；elasto-plastic time history analysis

0引言

2011年3月10日，云南盈江发生5．8级地震，2011年3月11日，日本又发生了1900年以来全球第四大的9级地震，造成房屋建筑倒塌、引发海啸、人员伤亡等等，给人类带来重大灾难。开展房屋建筑防震减灾新技术的研究与应用迫在眉睫。

防屈曲耗能支撑技术由于其具有良好的耗能作用，在日本、美国和中国等国内外工程的抗震建筑中得到越来越广泛的应用。其中：国内典型的工程有：天津昆仑中心、中国金融大厦、中实大楼、上海世博中心等。

1防屈曲耗能支撑技术（BRB）［1-4］

1．1基本工作原理

防屈曲耗能支撑技术主要包括：核心单元、约束单元和滑动机制单元三大部分。支撑的主要受力构件是核心单元，即：芯材，它是由特定强度的钢板制成。常见的截面形式为十字形、T形、双T形和一字形等，分别适用于不同的刚度要求和耗能要求。约束单元一般直接由外围钢管或外围钢管与管内灌注的混凝土或砂浆组成。

防屈曲耗能支撑技术的基本原理为：支撑结构在地震作用下所承受的轴向力作用全部由支撑中心的芯材承受，芯材在轴向力和压力作用下屈服耗能，而约束单元提供给芯材弯曲限制，避免芯材受压屈曲。由于泊松效应，芯材在受压情况下会膨胀，因此在芯材和约束单元间应有一定的隔离层厚度，减小或消除传给约束单元的力。

防屈曲耗能支撑在受压时也可以达到完全屈服，使支撑受压承载力与受拉承载力相当，克服了传统支撑受压屈曲的缺点，改善了支撑的承载能力，使支撑的滞回曲线饱满，在建筑抗震设计中具有良好的应用前景。

1．2适用范围

防屈曲耗能支撑在多遇地震下不参与耗能（即不屈服），只提供刚度，在罕遇地震作用下提供附加刚度和附加阻尼。

一般来说，防屈曲耗能支撑技术适用于各种类型的建筑物；对于结构越高、越柔、变形越大或抗震设防烈度越高，耗能减震效果就越显著，所以防屈曲耗能支撑尤其适用于高烈度区的高层钢结构建筑。

第41卷增刊章宏东，等．高层钢结构住宅建筑中防屈曲耗能支撑技术的研究与应用143

防屈曲耗能支撑技术也可应用于既有建筑的抗

震加固和地震后震损结构的加固修复或性能提高。1．3防屈曲耗能支撑结构的性能设计［1-4］

防屈曲耗能支撑结构需要满足以下性能设计的主要要求：

（1）防屈曲耗能支撑对结构在水平方向的地震地面运动下具有减震效果，

而对其他方向上不会产生不利影响。

（2）防屈曲耗能支撑结构应具有适当的刚度、强度和延性，防屈曲耗能支撑开始生效前，整体结构应具备传统结构抵抗使用荷载的一切功能。

（3）防屈曲耗能支撑结构能够耗散各种频率成分的地震运动。

（4）防屈曲耗能支撑结构应具有可靠的耗能机制，使结构在遭遇意想不到或难于判断的地震作

用及其效应影响时，

不致失效。（5）防屈曲耗能支撑结构不仅必须对主震完

成其功能要求，而且不经修复也能对余震完成其功能要求。

（6）防屈曲耗能支撑应具有良好的环境特性，耐气候、耐腐蚀，不需维修和更换，遇水灾、火灾时应能与建筑同时存在。

（7）防屈曲耗能支撑结构对施工产生的某些影响，应具有一定的宽容度，在允许程度内防屈曲耗能支撑必须保持有效性。2

防屈曲耗能支撑技术与普通支撑技术对比

与普通支撑技术相比，防屈曲耗能支撑技术具

有以下优点：

（1）多遇地震作用下，防屈曲耗能支撑线弹性刚度高，较容易满足规范的变形要求。（2）防屈曲耗能支撑可以受拉、受压都发生屈服，而普通支撑在受压时会发生屈曲，因此，在罕遇

地震作用下，

防屈曲耗能支撑具有更强和更稳定的耗能能力。普通支撑与防屈曲耗能支撑的滞回曲

线如图1所示

。

图1普通支撑与防屈曲耗能支撑的滞回曲线

（3）防屈曲耗能支撑在地震作用下可以起到

“保险丝”的作用，防止其他结构构件免遭破坏；并

且，损坏后也便于更换。（4）因为防屈曲耗能支撑的刚度和强度容易调整，所以其设计比较灵活，在非弹性分析中可以方便地模拟防屈曲耗能支撑的滞回曲线。

（5）在抗震加固中，防屈曲耗能支撑比普通支撑更具有优越性，因为抗震能力设计会使后者的地基建设成本更高。3

工程实例3．1工程概况

本工程位于天津市繁华的金融中心区，紧靠素有“万国建筑博览会”之称的五大道风景区，是天津昆仑中心大型城市综合体的重要组成部分，是天津市最大的续建工程项目之一。由于各种原因从2005年停工至今，但桩基工程、地下室底板、侧墙、以及地下二层、三层和部分地面首层的建筑结构工

程等已基本施工完毕。

。本工程地面以下为3层整体相连的地下室，地面以上在综合楼（主楼）、

综合楼（裙房）、住宅公寓楼（1号）和住宅公寓楼（2号）之间设置防震缝分

开，成为四个独立的结构抗震单元。效果图见图2

。

图2

建筑效果图

图3

住宅公寓标准层平面图

住宅公寓楼结构单元为地下3层（包括：地下夹层），地上31层，屋顶高度约100m ，总建筑面积62251m 2。标准层结构平面图见图3。建筑结构安全等级为二级，

建筑抗震设防类别为标准设防类。建筑抗震设防烈度7度［1］

，设计基本地震加速度值为0．15g ，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，根据天津市超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会要求，

场地特征周期值为0．58s ，整体地震作用比特征周期按规范取0．45s 时增加约20%。多遇地震作用下，结构阻尼比均取0．02。

主体结构采用矩形钢管混凝土柱-钢梁框架-

钢支撑组成的双重抗侧力结构体系。并在结构一、二层及其夹层处设置纯钢型屈曲耗能支撑（BRB ），通过其在地震作用过程中的滞回耗能，有效吸收地

144建筑结构2011年

震作用，减少上部主体结构的地震响应。

3．2结构设计的重点和难点

住宅公寓楼设计必须解决的主要难题：

（1）结构高度达100m，超过了钢结构住宅框架-支撑结构的最大适用高度90m［2］。

（2）本工程为停缓建项目，地下室主体结构已于2005年前基本施工完成；原上部建筑设计的楼层数为15 20层，而根据现在建设单位的要求，上部建筑的楼层数提高为31层，新老建筑传给基础的荷载

和地震作用相差极大。设计时，如何减小新建上部建筑的荷载和地震作用，降低地下室及基础的加固量，是一个至关重要的问题。

（3）天津属地震高烈度区，地震作用相当大，确定结构体系时，应选择能有效抵抗地震作用的结构体系，不仅要满足多遇地震下的受力和变形要求，同时要求在设防地震和罕遇地震下拥有良好的变形耗能能力，确保整体结构实现“三水准”的抗震设防目标。此外，由于工程所处场地类别为Ⅲ类，需按抗震设防烈度8度（0．2g）采取抗震构造措施，进一步加大了设计要求。

（4）天津为沿海地区，风荷载大，主体结构对风荷载十分敏感，需要严格控制好结构顺风向和横风向的顶点最大加速度，满足舒适度要求［3］。

根据《钢结构住宅设计规范》（CECS261：2009）［2］，采用矩形钢管混凝土柱-钢梁框架-钢支撑钢结构体系的结构住宅，在风荷载和多遇地震下的层间位移角限值为层高的1/400；同时该公寓楼考虑室内精装修，侧移限值还应适当减小。

（5）结构自身的不规则性。因建筑功能需要，结构底部一层设置夹层，夹层层高为1．8m，夹层中仅设置走廊及其左侧楼板（图3、4）；此外，在1层 3层范围内，①轴上的柱子为斜柱，其高度为11．4m，倾斜1．5m。

（6）本工程为高层住宅，针对其特点，结构构件布置，特别是柱间支撑的设置需要同时满足结构受力的需要和满足功能及户型布置要求，这两个条件，也是结构设计需要重点考虑的难题之一。此外，住宅公寓楼考虑精装修，对结构在各工况下的变形要求非常高；各设备管线的设置需要在部分结构构件中穿孔，孔洞的布置及加强也需要在设计中仔细考虑。

住宅钢结构建筑在使用过程中不易对防护涂装再进行较大的维修，应采用较严格的防锈和涂装措施。3．3结构设计要点［2，5］

鉴于住宅公寓楼主体结构设计主要采取如下技术措施：

（1）主体结构采用纯钢结构，楼（屋）面板采用轻骨料混凝土，框架填充墙采用轻质材料，以减轻结构自重，减小地震作用，降低已有基础的负担，减小地基基础的加固量。

（2）结合建筑户型分隔，柱间支撑同时采用中心支撑和偏心支撑两种类型，布置在适当位置；合理调整主要结构构件截面，以及楼板厚度，有效地形成结构体系空间协同作用，适当提高结构整体刚度，满足在各工况作用下的强度、变形以及舒适度要求。

此外，为满足管井设置的要求，在框架梁出现塑性铰的截面，设置加劲肋，代替侧向隅撑。

（3）合理布置抗侧力构件，减小因几何偏心所引起的扭转不规则程度，使层刚心与质心接近或重合；

将框架部分承担的地震倾覆力矩和剪力控制在合理的范围内，形成有效的抗震二道防线。

（4）调整底部几层的抗侧力构件，减小沿建筑高度的侧向刚度突变；同时，在1层 3层范围内的支撑采用SF-BRB-SQI纯钢构造的屈曲耗能支撑（图4），总计为132根，该防屈曲支撑在1/300，1/200，1/150，1/100，1/50支撑长度的加载位移下各循环3次，具有稳定饱满的滞回曲线，检测结果表明：该防屈曲支撑的变形能力大，抗疲劳性能好，可有效地提高整体结构的抗震性能

。

图4防屈曲耗能支撑的立面布置图

经测算，其与原设计的普通钢筋混凝土剪力墙结构相比，增层最高达一倍以后，上部结构传给基础的荷载反而减少达30%，直接结构造价降低20%以上，取得了非常好的经济效益。

3．4主体结构整体弹性分析

本文重点介绍住宅公寓楼（1号）分析与计算情况。

整体弹性分析采用PKPM系列的SATWE结构分析软件。主要计算结果见表1。

第41卷增刊章宏东，等．高层钢结构住宅建筑中防屈曲耗能支撑技术的研究与应用145主要分析计算结果表1

13．40（平动）

周期/s22．75（平动）

32．64（扭转）

周期比（T3/T1）0．78

风荷载下扭转位移比X1．20 Y1．17

多遇地震下扭转位移比X1．37（X+5%）Y1．22（Y+5%）

多遇地震下X1/512最大层间位移角Y1/533风荷载作用下

X1/643

最大层间位移角Y1/1995

顶点最大加速度/m/s2

顺风向0．120

横风向0．083

从表1可以看到，结构在地震作用下的整体计

算结果指标均比较合理，扭转效应不明显；各工况

作用下，结构内力和变形均能满足现行规范和规程

的要求。

3．5主体结构弹塑性时程分析

采用大型通用有限元分析软件Midas/Gen，进

行结构在罕遇地震下的非线性动力时程分析。分

析时，考虑以下非线性因素虑：1）材料非线性

：直接

采用材料非线性本构关系模拟钢梁

、钢支撑及矩形

钢管混凝土柱的弹塑性特性，可以有效地模拟构件

的弹塑性发生、发展及破坏的全过程；2）连接单元

非线性：采用非线性连接单元———滞后系统模型，

模拟屈曲限制支撑，可以有效地模拟支撑在弹塑性

阶段的滞回耗能情况。

考虑到软件对于矩形钢管混凝土柱的处理方

式是将核心混凝土部分折算为钢材，因此本工程采

用的本构关系主要为钢材的本构关系。其采用双

线性随动强化模型（图5），考虑包辛格效应。

防屈曲耗能支撑采用双线性恢复力模型，见图

6，在程序中由在六个自由度上分别具有单向塑性

的弹簧来模拟，对于本工程防屈曲耗能支撑只考虑

图5钢材的本构关系图6双线性恢复力模型

设置轴向的弹簧的塑性特征值。

分析时，分别输入由天津市地震工程研究所检

测中心提供，满足规范［1］要求的两条天然波和一条

人工波。各波均以结构横向X方向为主方向输入，

纵向Y方向为次方向输入，主、次方向地震动峰值

加速度比为1：0．85，峰值加速度取310cm/s2（7度

罕遇地震，0．15g），地震波持续时间取原数据持续

时间。地震波反应谱曲线与规范反应谱曲线的对

比见图7。

X方向

Y方向

图7地震波反应谱曲线与规范反应谱曲线的对比

弹塑性时程分析的主要计算结果：

（1）三条地震波作用下结构楼层最大层间位

移响应和层间位移角响应：X向最大层间位移角为

1/111，Y向最大层间位移角为1/103，均满足抗震

规范［1］12．3．3．5中：“消能减震结构的层间弹塑性

位移角限值，框架结构宜采用1/80。”的要求，能够

达到抗震设计中关于“罕遇地震不倒”的设防目

标。具体见表2。

罕遇地震作用下结构楼层位移响应表2

X向Y向

地震波楼顶位移

/mm

最大层间

位移角

所在

楼层

楼顶位移

/mm

最大层间

位移角

所在

楼层

天然波16401/111346721/11613

天然波26301/11887451/10622

人工波6551/115347421/10322

（2）构件屈服状态分布，如图8所示。从图中

可以看出，在经历了罕遇地震波作用后，结构只有

146建筑结构2011年

少量构件出现了一定程度的屈服，且绝大多数的杆件在罕遇地震作用下均保持弹性，很大程度上是由于在结构底部设置了防屈曲耗能支撑

。

图8天然波1罕遇地震作用下普通

支撑屈服状态分布（轴向应力）

（3）典型防屈曲耗能支撑耗能滞回见图9。由

图9、10可以看出，防屈曲耗能支撑均能够在罕遇地震作用下发挥滞回耗能特性，很好地吸收部分地震动传给结构的能量。正是由于屈曲限制支撑很好地发挥了消能减震的作用，

才使得主体结构在罕遇地震作用下也能基本保持弹性工作，确保结构能够实现“大震不倒”的设防目标

。

图9

BRB 支撑滞回曲线图10

结构构件耗能量对比

结论及建议

（1）防屈曲耗能支撑在多遇地震作用下具有

与普通支撑同样的效果，

可以保证结构的抗侧刚度。在多遇地震及风荷载作用下能够保证结构有足够的刚度，保证高层钢结构住宅建筑的舒适度和安全性。

（2）在设防地震和罕遇地震作用下，防屈曲耗

能支撑进入屈服阶段。由于防屈曲耗能支撑屈曲后仍能工作，可以作为结构的一道抗震防线发挥作用。它具有饱满的滞回曲线、良好的耗能能力，还能发挥阻尼减震作用，保护主体其他结构在设计地震作用下免遭破坏，能大幅度提高结构抗震性能，实现结构抗震的设防目标。

（3）防屈曲耗能支撑技术具有良好的经济性。由于防屈曲支撑可以实现全截面的屈服，设计时可以不考虑其稳定，这样可以减小工程中普通钢支撑的用钢量；设防地震及罕遇地震作用下能够消耗能量，减小梁、柱地震作用下的负担，进一步适当减小梁柱截面的尺寸。从本工程来看，使用防屈曲耗能支撑，能降低耗钢量10%以上，综合造价大幅度降

低，经济效益十分显著。

（4）防屈曲耗能支撑在地震作用下具有良好的耗能能力，

有利于提高整体结构的安全性，提高结构抵抗灾害的能力，减少灾害发生时生命和财产损失；此外，防屈曲耗能支撑具有良好的经济性，且易于更换，可以减少相应的维修成本，其在高层钢结构住宅建

筑中与轻骨料混凝土和轻质墙体材料配合使用，综合造价可大幅度降低，效果更好，具有非常好的应用前景和价值。

参

考

文

献

［1］GB50011—2001建筑抗震设计规范［S ］．2008年

版．北京：中国建筑工业出版社，

2008．［2］CECS261：2009钢结构住宅设计规范［S ］．北京：中

国建筑工业出版社，