高层钢框架屈曲约束支撑结构设计要点

整设计流程,讨论了性能目标选取、支撑布置原则等重要问题，供同类工程参考。[Abstract] This paper introduces the principle and advantages of buckling restrained brace. Taking Beijing Shijitan Hospital Emergency

complex building as an example, the complete design process of high-rise steel frame buckling restrained brace structure is combed, and the important issues such as performance target selection, support layout principle are discussed for reference ofsimilar projects.【关键词】屈曲约束支撑；高层钢框架；性能设计涎性[Keywords ] buckling restrained brace; high-rise steel frame; performance design; ductility【中图分类号】TU973」+3

[D01]10.13616/i.cnki.gcjsysj.2020.01.001【文献标志码】A 【文章编号】1007-9467 (2020) 01-0011 -041屈曲约束支撑简介为提高高层钢框架结构的承 载能力和侧向刚度,避免过多地加

大梁柱截面而增加用钢量,常在框

架中布置竖向支撑,使结构在承受 水平风荷载、地震荷载时，框架有两

道抗侧力防线。普通支撑受压会产 生屈曲现象，当支撑受压屈曲后，刚度和承载力急剧降低。为解决普通图1屈曲约束支撑支撑受压屈曲以及滞回性能差的问题，在支撑外部设置套管,

屈曲约束支撑仅芯板与其他构件连接.所受的荷载全部

约束支撑的受压屈曲，构成屈曲约束支撑(BRB),如图1所示。

由芯板承担,外套筒和填充材料仅约束芯板受压屈曲,使芯板

屈曲约束支撑的滞回性能优良,通过合理、有效地布置，可以全

在受拉和受压下均能进入屈服叫因而,屈曲约束支撑的滞回

面提高传统的支撑框架在中震和大震下的抗震性能\"I

性能优良，一方面可以避免普通支撑拉压承载力差异显著的

【作者简介】刘正雄(1992~)，男，湖北武汉人，助理工程师,从事结 构工程设计与研究。缺陷，另一方面具有金属阻尼器的耗能能力，使得主体结构在 中地震下基本处于弹性范围内叫11工程建设与设计Construction& Design ForProject2屈曲约束支撑优点2. 1承载力高抗震设计中,普通钢支撑承载力设计值为:式中\"为轴心受压构件的稳定系数皿为支撑的截面面积;/ 为支撑材料强度设计值；An为支撑的正则化长细比,A„=（A/tt）

\\ffJE （其中,A为支撑长细比/为钢材屈服强度;E为钢材

弹性模量）。屈曲约束支撑承载力设计值为：Nh=0.9A if,

（2）式中,血为约束屈服段的钢材截面面积;乞为芯板钢材的屈服 强度标准值。容易看出，普通钢支撑承载力由其构件稳定系数卩控制，

而屈曲约束支撑承载力不受稳定性约束。两者相减可得:当长 细比A>18时.承载力设计值屈曲约束支撑大于普通钢支撑，

一般屈曲约束支撑都可以满足。2. 2延性与滞回性能好弹性阶段工作时，屈曲约束支撑就如同普通支撑,可为结 构提供很大的抗侧刚度;弹塑性阶段工作时，屈曲约束支撑变

形能力强、滞回性能好，就如同一个性能优良的耗能阻尼器叫

两者滞回曲线对比见图203高层钢框架屈曲约束支撑结构设计3.1工程概况北京世纪坛医院急诊急救综合楼，建筑面积61 500m2,其 中地上44 200mm2,地下17 300m2。主体地下3层，地上12层,

5层及以下为一底盘,5层以上分为双塔。根据建筑功能，本项

目不分缝,按大底盘结构设计。上部结构为钢框架+屈曲约束

12支撑，基础为平板筏基+上柱墩。地震设计参数:场地类别n 类，设防烈度8度（0.2g）,抗震设防类别乙类，设计地震分组第

二组，特征周期0.4s。地上钢材牌号:钢框柱、主梁Q345C,次 梁 Q345B,支撑 Q235B。3. 2结构超限判别根据本工程的结构体系及平面布置，判断结构的超限情况见表lo表1结构超限判别序号不规则类型本工程情况超限判别la扭转不规则考虑偶然偏心的扭转位移比为1.19,不大于1.2否lb偏心布置偏心率不大于0.15,相邻层质心相

差不大于相应边长15%否底盘平面为一完整矩形，塔楼平面2a凹凸不规则为两完整方形，不存在平面局部凹否进或突出2b

组合平面不属于细腰形或角部重叠形否3楼板不连续两塔楼中心有大天井，楼板有效宽

度小于50%是4a刚度突变4层为设备层，层高2 200mm,相邻

层刚度变化大于70%是4b尺寸突变属双塔建筑是5构件间断无墙、柱、支撑不连续否6承载力突变相邻层受剪承载力变化均不大于80%否结论：根据JGJ 99-2015《高层民用建筑钢结构技术规

程沪3.3.2,4a与4b同属侧向刚度不规则，不重复计算不规则

项，故本工程同时存在2项不规则情况，属于建筑形体不规则

类型，但不属于超限高层建筑。3.3性能目标根据构件的重要性，确定结构构件的抗震性能目标，如 表2所示。表2结构构件性能目标结构构件 -性能目标多遇地震设防地震罕遇地震钢柱弹性弹性弹性或塑性屈曲约束支撑弹性塑性（耗能）塑性（耗能）本项目地上主要构件均为钢材，试算发现地上结构难以

满足高承载力要求，而延性较好。按GB 50017—2017《钢结构

设计标准》阿7.1,经综合分析比较，主体结构为性能6,乙类设 防下对应的结构构件最低延性等级为I级，即按高延性、低承 载力设计。3. 4设计流程1）对无控模型进行小震反应谱法计算，初步确定减震目

建筑与结构设计A rchilectural and StrueturtJ Design标，预估阻尼器数量。初步确定方案,采用盈建科软件1.9.2.0,对世纪坛医院无 支撑纯框架结构进行整体计算分析，通过阻尼比试算预估阻 尼器数量,地上约100个。也可按照建筑面积估算屈曲约束支

刪量,按经验平均每500n?设1个，世纪坛医院地上部分建 筑面积约48 000m2,需支撑数约96个。2）初步设计有控模型，进行小震反应谱法计算。屈曲约束支撑可选用单斜撑、人字型或V型支撑，布置 时可依照以下原则：（1） 土也震作用下产生较大支撑内力的部

图4小震下支撑内力滞回曲线位;（2）地震作用下层间位移较大的楼层;（3）宜沿结构2个主 阻尼自动采用直接积分法时程计算结果”，软件将上一步得到 的支撑有效刚度和阻尼代入模型重新计算，计算完成查看位 移角和位移比。在设计结果的“周期振型'中查看计算得出的 阻尼比,减去计算参数中全楼阻尼比，即可得到附加阻尼比

轴方向分别设置;（4）可采用中心或偏心支撑的布置形式，当 采用偏心支撑布置时，设计中应保证支撑先于框架梁屈服。初

步选取2种屈曲约束支撑等效截面区|120mmxl20mmx40mmx

40mm、凶120mmxl20mmx20mmx20mm,布置完成共 108 个。有

结果。5）查看结果并优化得到理想设计方案。控模型见图3。优化支撑截面，最终计算得到4种屈曲支撑等效截面，截

面尺寸及对应BRB型号见表3o表3支撑等效截面尺寸及对应BRB型号层号1~3支撑等效截ffi/mm因120x120x40x40®00x100x30x30^100x100x20x20BRB屈服承载力/kN套筒尺寸/mm250x2503 0002 0005〜78~10250x250250x250250x2501 50085011-1213100x100x10x10通过对比本项目加设屈曲约束支撑和未设支撑的结构，在2方案主要指标均满足设计要求的情况下，用钢量对比见表40图3有控结构模型表4无支撑与有支撑方案用钢量对比输入支撑的初始刚度和阻尼，对有控模型进行小震反应 谱法计算，查看其层间位移角和位移比。3） 有控模型计算支撑的有效刚度和阻尼。结构形式柱总用钢量/t梁总用钢量/t2 416.974支撑量/t082.766总计/t5 731.4155 429.899钢框架3 227.0793 057.31在盈建科软件“弹性时程分析”模块的“人工波生成”对话

钢框架+屈曲

2 289.823约束支撑框上生成一条和规范谱拟合得非常好的人工波，在\"直接积分 可见，无支撑时梁、柱型钢截面较大，用钢量为5 731t,加

法时程计算参数”中勾选\"计算减隔震元件有效刚度和阻尼\"， 进行直接积分法时程分析，计算后查看能量曲线和内力滞回

支撑时用钢量为5 429t,用钢量节省302t,约5.6%,且屈曲约 束支撑增加了结构的可靠度。综合考虑,采用钢框架-屈曲约

曲线，一层支撑滞回曲线见图4。可以看出,小震下BRB基本 束支撑结构优势明显。6）对特殊构件中大震分析验算。处于弹性，无刚度退化，未进入塑性耗能阶段。4） 将有效刚度和阻尼代入支撑，对有控模型再次进行小

导入地震波,进行动力弹塑性分析后,得到能量曲线和一 层支撑的滞回曲线（见图5、图6）。可以看出,大震下BRB和 主体结构均进入塑性阶段,BRB耗能作用明显。13震反应谱法计算。勾选设计参数“地震信息”中的\"连接单元的有效刚度和工程建设与设计Construction & Design ForProject图5大震能量曲线4结语图6大震下支撑内力滞回曲线【参考文献】[I1GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)[S].1)本文对高层钢框架-屈曲约束支撑结构的设计流程进

【2】王秀丽，周银屈曲约束支撑布置方式对钢框架抗震性能的影响[J].

行了梳理，流程见图7。兰州理工大学学报,2014,40(3): 126-129.[3】周学军，陈鲁，曲慧.多、高层钢结构支撑的布置方式对框架侧向刚

对无控模型进行小1R反应谱法计算 初步确定减健目标，预估阻尼器数量度的影响[JJ.钢结构,2003,18(4):51-54.【4】李晓瑾.中心支撑在高层钢结构设计中的应用及分析[JJ.工程建设

初步设计有控模型，进行小籐反应谱法计算有控模型计算支撑的有效刚度和阻尼411与设计,2019(3):43-45.[5] JGJ 99—2015高层民用建筑钢结构技术规程[S].[6] GB 50017—2017钢结构设计标准[S].将有效刚度和阻尼代入支撑

对有控模型再次进行小靈反应谱法计算否$图7高层钢框架-屈曲约束支撑结构设计流程图2) 屈曲约束支撑对高层钢框架的抗震性能影响明显，在

提高结构抗侧刚度、节省钢材、减轻结构自重、耗散地震能量

等方面发挥着重要作用。3) 高层钢框架布置屈曲约束支撑时宜重点考虑层间位移

较大及薄弱部位,如低楼层、边跨、梯井等。4) 高层钢框架结构一般侧向刚度较弱,但延性较好,在中

高烈度设防区域,选取性能目标时建议采用高延性低承载力 设计，通过控制构件截面板件宽厚比提高结构延性。di?14【收稿日期12019-03-29