屈曲约束支撑在结构设计中的若干应用问题探讨 -技术交流---安东亚

屈曲约束支撑在结构设计中的若干应用问题探讨上海建筑科创中心安东亚目录产品选型库、手册及新产品探索课题研究的基本情况13其它常见问题梳理4BRB设计应用中的10个突出问题2一、课题研究的基本情况总体目标:聚焦于防屈曲支撑的产品选型、参数优化、性能分析与综合评价、产品数据库的建立等，从设计院角度出发解决一系具体专项技术问题，最终建立一套可供设计人员快速参考的防屈曲支撑结构设计方法，提升设计人员在消能减震设计方面的技术水平。在充分理解BRB产品特性的基础上，研究如何更好地应用BRB产品进行结构设计。更加客观、理性地应用BRB。课题总体框架：产品、厂家、技术资料搜集梳理数据平台程序开发技术梳理（数据库建立）专项技术研发（8项）理论研究方法创新模拟分析专利技术产品改良创新方法工艺创新设计手册研究成果应用转化关键技术实施方案二、BRB在结构设计应用中的10个突出问题厂家想用BRB？设计方案中看到有支撑就想换成BRB。“看到结构中有普通支撑存在，就感觉自己的工作没做到位，有种深深的自责感”——某知名产品厂家技术/销售负责人。为了体现设计师的设计水平而采用？为了帮业主省钱而采用？为了工程本身特定目的而采用？（截面控制、性能化指标、施工工期、建筑需要、设计品质等）。有时可能为了满足某种需求，反而需要增加费用。BRB方案不是省钱的代名词，和其它任何技术手段一样需要付出经济代价。1-为什么要采用BRB？BRB本身有很多优点，结构设计中很多情况下可以作为一种备选的问题解决手段。能用普通支撑解决问题时，尽量不采用BRB。（很多BRB的特点其实普通支撑也具备，普通支撑经过合理设计也可以避免自身缺点；BRB用不好反而存在更大安全隐患）。有了明确需要后再考虑采用BRB，而不是用了BRB之后再想它有什么必要。1-为什么要采用BRB方案考虑采用BRB的三个原则：2-BRB力学参数的合理匹配规律与设计选型建议刚度屈服力屈服位移材料强度芯材面积支撑长度序号参数名称序号参数名称1刚度4材料强度2屈服力5截面面积3屈服位移6支撑长度耗能型防屈曲支撑常用参数列表1屈服承载力与刚度的合理匹配刚度屈服力芯材面积材料强度支撑长度KNyAfyL耗能型防屈曲支撑参数列表（第一组参数）LAEKAfNyy定义匹配数为1CyyfENLKC1为有效支撑长的调整系数，一般取0.5~0.9将不同等级的材料屈服强度带入上式，得到的取值区间为：946~4000，方便起见，建议取为：1000~40001C2屈服位移与支撑长度的合理匹配屈服位移材料强度支撑长度fyLy耗能型防屈曲支撑参数列表（第二组参数）ELfyy定义匹配参为2CEfLCyy2为有效支撑长的调整系数，一般取0.5~0.9将不同等级的材料屈服强度带入上式，得到的取值区间为：2.5e-4~1.06e-3，方便起见，建议取为：2.5e-4~1.0e-32C2-BRB力学参数的合理匹配规律与设计选型建议3-关于层间变形与支撑有效变形之间的定量化关系△cosα△△αcos△cosα△△αcos3-关于层间变形与支撑有效变形之间的定量化关系BRB轴向变形与层间位移角具有一定相关性，相关程度与消能子结构内梁柱刚度、整体变形特征有关；采用理论简化公式根据层间位移角计算得到的BRB轴向变形往往大于实际变形值，这是由于简化公式具有一定的近似性，且公式假定结构变形为纯剪切变形，而实际框架结构在增设BRB后子结构的变形包含了很大程度弯曲成份，弯曲部分的变形并未转化为支撑的轴向变形。BRB在整个结构内并非均匀布置，当采用弹性楼板时，布置了BRB支撑的子结构部分变形可能会明显小于最大层间变形，因此在考察相关性时，需要结合实际消能子结构的具体情况。根据层间变形推算支撑变形或根据支撑变形推算层间变形，只能从定性上判断，无法得到定量数据。3-关于层间变形与支撑有效变形之间的定量化关系△cosα△△αcos0.9718-0.1618x=0.0523-0.195ln(x)-=0.9604+0.1819x+0.4369x-=2支撑位置1支撑位置2框架结构框架-剪力墙（框架部分）框架-剪力墙（剪力墙部分）3-关于层间变形与支撑有效变形之间的定量化关系根据简化算式计算支撑的轴向变形时，应扣除楼层刚体转角带来的层间变形；可根据不同结构体系选用本文建议的修正计算式进行修正；层数不多（6层以下）的纯框架结构可直接采用简化算式进行计算；层数较多时，可将计算结果乘以折减系数0.7～0.9，楼层越高，折减系数越小；框架剪力墙结构（框架－核心筒）中，当布置支撑时，可放在离开剪力墙较远的框架柱间，在墙体立面或接近墙体的位置布置支撑，将较难发挥作用；并且此时不能利用简化算式计算支撑的有效变形。对于纯框架结构靠近底部楼层的BRB支撑发挥效率较高；对框架-剪力墙（框架-核心筒结构）选择层间变形大的楼层在“框架部分”立面布置BRB支撑较易发挥效果。3-关于层间变形与支撑有效变形之间的定量化关系4-计算分析中如何准确模拟BRB：参数等效法11KKKKKe节点域有限刚节点域无限刚编号Fy(kN)K=EA/L(kN/m)Esigmay(KN/m2)AL130004800002.00E+082.08E+051.44E-026230004800002.00E+082.11E+051.42E-025.92330004800002.00E+082.06E+051.45E-026.062430004800002.00E+082.28E+051.31E-025.476530004800002.00E+082.17E+051.38E-025.763BRB的实际长度与节点域的相对比例等效参数计算案例020,00040,00060,00080,000100,000120,000140,00001020304050能量（kNm）时间（s）输入总能量阻尼耗能结构自身非线性耗能BRB耗能5-耗能效果与支撑数量的定量化规律如何？结构规模：5层框架（类似于申都大厦体量）柱子总数量：约300根BRB数量：32根基本规律1：在钢筋混凝土框架结构中使用BRB时，BRB耗能以牺牲变形为代价，而混凝土框架本身的弹性变形范围较小，因此“主体结构控制在弹性阶段，主要由BRB耗散地震能量”的想法在钢筋混凝土框架结构体系中较难实现。结构规模：46层，185.1m框架-核心筒BRB数量：36根X向Y向地震输入方式双向地震底部总剪力（kN）1036992656顶部位移(m)1.080.82最大层间位移角1/1411/134总输入能130430100%结构本身非线性耗能7565258%阻尼耗能4076331%BRB耗能2540.19%020,00040,00060,00080,000100,000120,000140,00001020304050能量（kNm）时间（s）输入总能量阻尼耗能结构自身非线性耗能BRB耗能主要分析结果基本规律2：超高层框架-核心筒结构中使用BRB，应以改善局部刚度为目的，当BRB数量相对较少时，可忽略其耗能作用在总体结构响应中发挥的比例。5-耗能效果与支撑数量的定量化规律如何？浦东机场卫星厅——中央大厅结构规模：6层框架（平面尺寸约为260m×172m）BRB数量：204根5-耗能效果与支撑数量的定量化规律如何？SHW9地震波主方向罕遇地震设防地震耗能BRB构件数耗能构件占比耗能BRB构件数耗能构件占比X19696%9547%Y204100%12059%BRB1b:9456BRB2c:6999BRB4c:9459浦东机场卫星厅——中央大厅结构规模：6层框架（平面尺寸约为260m×172m）BRB数量：204根5-耗能效果与支撑数量的定量化规律如何？SHW10波组作用下能量耗散图SHW9波组作用下能量耗散图基本规律3：BRB耗能效果与地震作用水平、总的能量输入密切相关，不同地震波离散性较大；系统阻尼耗能通常情况下占居主导地位。5-耗能效果与支撑数量的定量化规律如何？BRB的滞回模型框架系统的线弹性模型5-耗能效果与支撑数量的定量化规律如何？)()(πa22212KKvy——BRB分担水平剪力与框架结构本身分担剪力的比例——BRB塑性发展比例当BRB发生屈服后，其非线性刚度导致总体结构刚度偏离线性的程度。0.000.010.020.030.040.0500.20.40.60.811.2附加阻尼比塑性变形比η＝0.3η＝0.2η＝0.1附加阻尼比曲线5-耗能效果与支撑数量的定量化规律如何？BRB提供的附加阻尼比受结构和BRB自身参数双重影响。BRB分担的地震力比例对附加阻尼比有直接影响，且呈同向变化关系，当结构中布置较少数量的BRB或仅在局部楼层布置BRB时，较难得到总体附加阻尼比的有效提高。采用低屈服点钢材，或通过减小有效截面降低BRB屈服承载力的方法，并非一定可以提高耗能效果。需要通过结构和BRB布置综合优化获得较高的附加阻尼比贡献。对于确定的BRB设计方案，附加阻尼比的最大值与某个地震水平相对应，并非地震强度越大附加阻尼比越大，在等效线弹性分析时，需慎重对待结构总体阻尼比的取值。由以上参数分析可得到以下基本规律：5-耗能效果与支撑数量的定量化规律如何？6-BRB调整刚度时屈服阈值控制建议01234567800.0050.010.015楼层层间位移角弹性分析BRB中震屈服BRB大震不屈服（1）调整楼层相对刚度的合理控制在刚度需求为主的情况下，如果BRB过早发生屈服，有可能发生刚度突变等潜在风险，需对整体指标进行全面验算。6-BRB调整刚度时屈服阈值控制建议控制屈服工况支撑刚度101KK3/202KK3/02KK201KK3/02KK6/03KK301KK02KK2/03KK401KK02KK03KK模型工况扭转位移比小震中震大震无BRB1.250\\屈服工况11.0751.1501.210屈服工况21.0751.2131.233屈服工况31.0751.0751.183屈服工况41.0751.0751.075不同工况对应不同地震水平下的扭转位移比应对BRB支撑的屈服水平进行适当的控制，太低的屈服水平尽管有比较好的耗能效果，但可能导致中大震下扭转不利因素的增加。最好避免在同一个支撑中考虑两个因素，否则将导致两个效果都无法得到全面的发挥。当不能避免时，建议控制BRB在中震以后再进入屈服。FyK3K2K1u1u2u3u小震中震大震F（2）调整扭转刚度的合理控制7-BRB小震提供刚度与降低地震力的矛盾关系纯框架①框架+BRB支撑比值周期（s)0.9840.7630.775407底部总剪力(kN)1.94E+03总剪力②框架部分剪力③BRB支撑水平分力③/①2.44E+031.71E+03722.38.84E-01顶部变形(m)1.11E-028.44E-037.60E-01支撑框架与无支撑框架总剪力对比406080100012345梁弯矩（kN.m）梁编号有支撑无支撑框架增设BRB支撑后，总刚度增加，地震总剪力增加，位移减小。BRB支撑框架增加的地震力主要由支撑本身承担，原框架柱承担的地震力反而降低，降低程度在10%以上。从构件层面看，增设BRB支撑后，全部柱子的剪力和弯矩均有不同程度的降低，降低比例在10%~30%之间。增设BRB支撑后，地震作用下BRB轴力的竖向分量会引起BRB两侧柱子轴力增加的情况，但与重力荷载代表值作用下柱子轴力相比，增加量基本在20%以内。层号柱1柱2柱3柱4柱5柱6柱7873.8%92.6%74.9%43.1%74.9%92.6%73.8%774.4%85.1%73.2%56.9%73.2%85.1%74.4%673.4%82.1%73.4%58.1%73.4%82.1%73.4%573.3%80.2%73.7%61.6%73.7%80.2%73.3%473.3%78.4%73.4%64.1%73.4%78.4