近斷層脈沖型地震動作用下BRB框剪結構減震性能設計研究

于建　趙立財

摘要：在脈沖型及非脈沖型地震動作用下，對典型框剪結構及6個屈曲約束支撐（BRB）減震結構進行彈塑性動力時程分析，主要基于層間位移角、結構損壞程度及結構耗能指標，對比分析不同BRB框剪結構的減震性能。結果表明：①由于抗側剛度的提高，增設BRB能有效降低脈沖型地震動下框剪結構整體的層間位移角響應，使其滿足規范限值要求，減震率最高達到52.1%；②相比布置于外周，BRB布置于內框架能更有效減輕脈沖型地震動作用下結構上部樓層梁構件的嚴重損壞，從結構整體而言使梁構件嚴重損壞程度占比從71%降至45%以下，同時有效減輕了豎向構件的中度及嚴重損壞；③相比非脈沖型地震動，脈沖型地震動削弱了減震結構中BRB的塑性耗能能力；④BRB布置于內框架，且其初始剛度和屈服強度按更多樓層區域劃分、屈服后剛度比取較小的減震方案的結構在脈沖型地震動下具有較高的減震性能。

關鍵詞：脈沖型地震動；框剪結構；屈曲約束支撐；減震性能

中圖分類號：P315.925文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2023）04-0575-11

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2023.0051

0引言

我國發生過多次破壞性地震，給人民生命財產帶來巨大損失。如1976年唐山M_S7.8大地震，災區設防烈度Ⅵ度，實際烈度達到Ⅺ度；2008年M_S8.0汶川大地震，災區設防烈度Ⅵ～Ⅶ度，設計“大震”設防烈度為Ⅶ～Ⅷ度，但實際烈度達到Ⅸ～Ⅺ度（徐銘陽等，2022）。汶川地震動記錄表現出明顯的近斷層脈沖特性（Luet al，2010；謝俊舉等，2012），從震害情況可見，地震的強度加上地震動脈沖效應，對建筑物具有極為強烈的破壞力，導致嚴重的人員傷亡和經濟損失。從以往研究可知，近斷層脈沖型地震動具有明顯的向前方向性效應和滑沖效應，會引起明顯的長周期速度脈沖（賈路等，2019），且一次地震動的大部分能量都集中在單個或少數幾個頻率的脈沖上。因此，開展脈沖型地震動作用對建筑結構影響的研究是必要的。

通過減震設計，結構能夠具備抵御脈沖型地震動的能力。周敏和薛彥濤（2017）研究了Ⅷ度區某5層BRB框剪結構在罕遇、極罕遇地震作用下的抗震性能，發現減震框架結構能有效降低層間位移角，使其滿足1/50限值要求。包嗣海等（2019）以某框剪結構工程為例，采用黏滯阻尼器和BRB建立混合減震結構，發現該結構在極罕遇地震作用下能有效改善結構構件的損壞狀態并提高結構安全性能。針對地震動脈沖特性對減震結構的影響，程浩和趙楊（2021）對某高層建筑結構進行BRB減震參數設計，發現在近斷層脈沖型地震動作用下BRB減震高層建筑的層間位移反應較大，樓層加速度放大不明顯，BRB耗能在結構總塑性耗能中占比減小，結構塑性損傷較大；陳超等（2021）對典型多層校舍采取減震加固技術，研究脈沖型地震動及其它類型地震動作用下減震加固前后的結構抗震性能、殘余變形以及阻尼器工作性能等，發現結構的黏滯阻尼減震效率受地震動特性影響不明顯。

目前，同時考慮地震強度及地震動脈沖效應對高層建筑結構影響的研究不多見，本文選取一定量的近斷層地震動記錄，同時考慮地震強度及其脈沖特性，針對典型的高層框架-剪力墻結構進行BRB布置方案和參數的減震性能設計，以期為此類型結構在考慮脈沖型地震動作用下的減震設計提供一定參考。

1框架-剪力墻結構數值模型

1.1結構基本信息

本文結合《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）（以下簡稱《高規》）8.1節中對于框架-剪力墻結構（以下簡稱框剪結構）設計的一般布置原則，并參考工程實例，基于PERFORM-3D建立典型的高層框剪結構彈塑性模型。該結構基本信息如下：建筑使用功能為辦公，結構的首層高度為4 m，其余樓層高度為3.5 m，共15層，結構總高為53 m。結構首層平面布置如圖1所示，灰色陰影部分為框架柱和剪力墻。結構中的框架柱、剪力墻及連梁的混凝土等級劃分為：1～5層C40、6～10層C35、11～15層C30，全樓框架梁和樓板均采用C30。結構全部構件均采用HRB400鋼筋?？拐鹪O計參數為：抗震設防烈度Ⅷ度（0.20 g），設計地震第一分組，場地類別為Ⅱ類，剪力墻抗震等級為一級，框架抗震等級為二級?；撅L壓為0.45 kN/m2，地面粗糙度為B類。結構的周期折減系數取為0.75。

1.2PERFORM-3D數值模型

在PERFORM-3D中，該高層框剪結構模型構件均采用纖維截面模型模擬。纖維截面模型通過材料積分獲得截面的內力-變形關系，與塑性鉸模型直接給出截面內力-變形關系相比，在描述截面壓彎耦合非線性行為方面有著更大的優勢（崔濟東，2017）。為考慮約束混凝土和非約束混凝土的應力-應變關系，模型中的混凝土材料的單軸本構采用修正Kent-Park模型（Scott et al，1982），鋼筋材料的單軸本構采用常用的考慮隨動強化的雙線性彈塑性模型，參數取值依據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）?；赑ERFORM-3D的“YULRX”五折線型骨架曲線對上述材料本構進行簡化。梁單元按照纖維截面段+彈性段+纖維截面段的形式組裝成端部塑性區模型；剪力墻單元使用PERFORM-3D的Shear Wall單元分別采用約束和非約束混凝土纖維來模擬剪力墻的端部約束區與非端部約束區。整體數值模型采用剛性樓板假定，從而減少結構位移自由度以提高整體的計算效率。根據以上條件建立的PERFORM-3D框剪結構數值模型三維圖如圖2所示。

在工況定義中，按照《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）（以下簡稱《抗規》），取重力荷載代表值為1倍恒載加0.5倍活載；模型采用Rayleigh阻尼，阻尼比取為5%。PERFORM-3D模型與YJK模型的總質量及模態分析結果對比見表1。由表1可見，兩模型的總質量和自振周期的相對誤差在3%以內，驗證了PERFORM-3D模型動力特性的準確性。模型的小震彈性層間位移角分別為X方向1/946，Y方向1/1 018，滿足《抗規》中1/800限值要求。該模型可用于后續的計算分析。

2近斷層脈沖型地震動作用下框剪結構響應分析

2.1地震動的選取

為探討近斷層地震動脈沖特性對框剪結構地震響應的影響，本文選取一定量的近斷層脈沖型及非脈沖型地震動進行對比研究。根據《抗規》5.1.2條規定，分別選取7條近斷層脈沖型地震波和7條非脈沖型地震波，其基本信息見表2。14條地震波的加速度反應譜和規范反應譜如圖3所示，兩類地震波均與規范譜在對應的結構基本周期點上相差不大于20%，滿足《抗規》關于所選地震波與規范譜在統計意義上相符的規定。

圖4給出其中2條典型的近斷層脈沖型地震波GM4CHICHI_TCU076（GM4）和DARFIELD_LI NCN23E（GM6）的加速度時程及速度時程曲線。從圖4可以看出，兩條地震波的速度時程表現出較大的幅值（PGV/PGA>0.2），且出現了明顯的兩個相反方向的脈沖。

2.2層間位移角響應分析

地震動加速度時程峰值取罕遇地震相關數值乘以調整系數得到（周敏，2017），Ⅷ度（0.20 g）設防烈度對應的調整系數為1.50，結合《高規》中時程分析罕遇地震峰值取值，地震動主方向加速度峰值取為600 cm/s²。選擇結構的X方向為主方向、Y方向為次方向，再選擇Y方向為主方向、X方向為次方向，在主、次兩水平方向（峰值比1∶0.85）同時輸入地震波，對高層框剪結構進行強震作用下的彈塑性動力時程分析，得到結構在X和Y方向的層間位移角響應，如圖5所示。

為保證結構在地震動作用下滿足生命安全的設防標準，要求結構滿足《抗規》對鋼筋混凝土框剪結構的彈塑性層間位移角限值（1/100）要求。從圖5可看出，脈沖型地震波引起結構層間位移角的強烈響應，部分脈沖型地震波下層間位移角遠超出限值，且在X方向，7組脈沖型地震波下的層間位移角平均值也超出限值；相比脈沖型地震波，在非脈沖型地震波下層間位移角基本在限值以下。以上實驗表明，脈沖型地震動作用下結構無法滿足生命安全的性能標準，需要通過減震設計來提高結構的抗震性能。

3BRB減震方案設計

相較于普通鋼支撐，BRB利用外約束單元防止核心單元受壓時發生屈曲，是一種受拉特性同普通鋼支撐、且受壓特性與受拉特性相當的支撐，具有良好的滯回消能作用。本文采用耗能型BRB進行結構的減震設計，耗能型BRB在設計中要求多遇地震水準下不發生屈服，在中強震及大震水準下產生塑性變形及耗能。PERFORM-3D模型中BRB構件由一個BRB復合組件模擬，一個BRB復合組件由一個BRB組件和一個彈性桿組件串聯得到。

針對該類典型框剪結構的特點，從BRB布置方式和參數兩方面進行減震方案設計。BRB在結構樓層中的布置方式有兩種，一種布置于外周，另一種布置于內框架?？紤]到X方向為弱側，對稱布置4套BRB，Y方向則對稱布置2套BRB，采用單斜撐的安裝形式，如圖6所示。兩種BRB布置方式的三維示意圖如圖7所示（淺藍色部分為BRB單元）。BRB布置于1～12樓層，全結構共布置72套BRB。

按樓層劃分區域，設計兩種方案：①1～4層、5～8層、9～12層共3個區域；②1～2層、3～4層、5～6層、7～8層、9～10層、11～12層共6個區域，在不同區域布置不同初始剛度和屈服承載力的BRB。各方案的屈服承載力數值取相應BRB初始剛度的1/1000，BRB極限變形均取屈服變形的20倍，BRB核心單元長度全部一致。

基于上述方案，再通過改變BRB屈服后剛度比設計其它方案，共設計出6種減震方案，各減震方案的結構模型的編號、BRB布置方式和具體參數見表3。

表4給出原結構與6個減震結構模型自振周期的對比。從表中可以看出，增加BRB之后，結構的自振周期較原結構有一定減小，減小率為18%～30%，表明增加BRB后，結構的抗側剛度有所提高。

4BRB框剪結構的減震性能分析

通過彈塑性動力時程分析，基于基底剪力、層間位移角、結構構件損壞及塑性耗能等指標，對比分析原結構模型與6個減震結構模型在脈沖型及非脈沖型地震動作用下的減震性能。

4.1基底剪力

原結構與6個減震結構模型在7組脈沖型及非脈沖型地震動作用下的基底剪力平均值見表5。從表中可見，相比于原結構，在脈沖型及非脈沖型地震動作用下各減震結構在X方向的基底剪力平均值有一定程度的降低，尤其JZ-6模型在脈沖型地震動作用下基底剪力平均值降低15.1%，在非脈沖型地震動作用下降低22.0%。

4.2層間位移角響應

原結構與6個減震結構模型在7組脈沖型和非脈沖型地震動作用下的層間位移角平均值如圖8所示。從圖中可以看出，由于提高了原結構的抗側剛度，增設BRB能夠有效地降低脈沖型地震動下原結構整體的層間位移角響應，使其滿足規范限值要求，保證結構整體的安全性能。從結構的自振周期和振型可知，X方向為結構的弱側。因此，在相同強度地震動作用下，通過減震設計，減震結構在X方向布置的BRB數量多于Y方向，可使層間位移角的降低幅度明顯大于Y方向，尤其表現在地震動作用下。綜上所述，BRB布置于內框架的減震結構層間位移角較布置于外周的減震結構小，而不同參數方案的減震結構層間位移角響應差異較小。

針對X方向，表6給出6個減震結構在脈沖型和非脈沖型地震動作用下不同樓層的層間位移角減震率。綜合來看，在脈沖型地震動作用下，JZ-4結構的層間位移角減震效果最佳，最高減震率為52.1%，在第4層；在非脈沖地震動作用下，JZ-6結構的層間位移角減震效果最佳，最高減震率為47.0%，在第2層。

4.3結構構件損壞程度

4.3.1判別標準

以X方向為主方向的計算結果為例，對比分析原結構與6個減震結構在脈沖型及非脈沖型地震動作用下的結構損壞程度。參考《建筑結構抗倒塌設計規范》（CECS 392—2014），基于混凝土和鋼筋材料的應變來判別混凝土結構構件的損壞程度，見表7。為方便統計結構構件的損壞程度，將結構中的框架梁和梁合并統計為梁構件，將框架柱和剪力墻合并統計為豎向構件。

4.3.2梁構件損壞程度

分別取脈沖型及非脈沖型地震動作用下結構整體的梁構件損壞程度平均值進行統計。原結構及6個減震結構的梁損壞程度占比如圖9a所示。從圖中可看出，在脈沖型地震動作用下原結構的梁構件大部分出現了嚴重損壞，嚴重損壞程度占71%，而在非脈沖地震動作用下僅占34%。本文通過BRB減震設計有效地減輕了梁構件的損壞，

尤其是將BRB布置于內框的結構中時尤為明顯，JZ-4、JZ-5、JZ-6結構均使梁構件在脈沖型地震動作用下的嚴重損壞程度降低至45%以下。

統計梁構件的嚴重損壞程度沿樓層分布的占比，如圖9b所示。從圖中可以發現，原結構梁構件的嚴重損壞程度占比在脈沖型地震動下明顯大于非脈沖型地震動下的占比，脈沖型地震動下原結構大部分樓層中（2～11層）梁嚴重損傷程度占比達到100%，即樓層中所有梁完全發生嚴重損壞；在非脈沖型地震作用下，各減震結構的梁構件嚴重損壞程度占比無明顯的差異，且隨樓層變化趨勢基本一致；而在脈沖型地震作用下，相較于BRB布置于外周的3個減震結構，BRB布置于內框架的3個減震結構的上部樓層（9～14層）梁構件嚴重損壞程度占比有一定減少。

4.3.3豎向構件損壞程度

分別取脈沖型及非脈沖型地震動作用下結構整體的豎向構件損壞程度平均值進行統計。原結構及6個減震結構的豎向構件損壞程度占比情況如圖9c所示。從整體的豎向構件損壞程度來看，各結構的豎向構件無損壞程度的占比沒有明顯的差異。在脈沖型地震動作用下，減震結構一定程度上降低了豎向構件的中度損壞及嚴重損壞，JZ-4、JZ-5、JZ-6結構表現較為明顯。與梁構件相比，豎向構件損壞程度明顯較低，且損壞主要集中在結構的底層，因此結構擁有足夠的安全儲備，體現了“強豎向構件弱水平構件”的延性設計理念。

4.4結構塑性耗能分析

針對脈沖型及非脈沖型地震動作用下彈塑性動力時程分析得到的各項能量指標的平均值進行對比分析。能量指標包括：地震總輸入能、各結構的瑞雷阻尼耗能比例和塑性耗能的比例（包括梁構件、豎向構件及BRB的塑性耗能），見表8。從表中可知，在同等加速度峰值的地震動輸入下，脈沖型地震動輸入到結構的總能量明顯大于非脈沖型地震動輸入的總能量。從地震輸入能量的角度分析，其原因為脈沖型地震動中具有極大的瞬時輸入能，占地震總輸入能的大部分（丁玉春，朱晞，2007）。另外，由于BRB的布置提高了結構整體抗側剛度，改變了原結構動力特性，減震結構能夠減少脈沖型地震動總輸入能，尤其表現在JZ-4、JZ-5、JZ-6結構。從塑性耗能比例結果來看，JZ-4、JZ-5、JZ-6結構的塑性耗能較JZ-1、JZ-2、JZ-3明顯，其中JZ-6結構的塑性耗能比例最大，達到24.0%，有效地降低了梁構件和豎向構件的塑性耗能（比例為所有結構中最?。?，提高了主體結構的安全性。在非脈沖型地震動作用下，JZ-6結構的塑性耗能比例最大。整體而言，脈沖型地震動下減震結構中的塑性耗能能力較弱，而梁構件和豎向構件承擔了較多塑性耗能，反映出脈沖型地震動對結構的塑性破壞有更大的影響。

圖10為脈沖型及非脈沖型地震動作用下各減震結構中BRB在3類構件塑性耗能中的占比，更直觀地展示了各減震結構中BRB的塑性耗能能力。從圖中可知，脈沖型地震動削弱了BRB的塑性耗能能力。JZ-6結構在脈沖型及非脈沖型地震動作用下的BRB塑性耗能占比均為最高，其中在脈沖型地震動下占比達到42.8%；JZ-5結構中BRB塑性耗能占比大于JZ-4結構，表明按更多樓層區域進一步劃分BRB的初始剛度和屈服強度參數有利于提高整體BRB的塑性耗能能力。

基于層間位移角響應、結構損壞程度和結構耗能分析可知，JZ-6結構是較優的減震結構，在所有減震方案結構中表現出較高的減震性能。由此建議：①在此類框剪結構中，應優先考慮將BRB布置于結構的內框架中；②對BRB的初始剛度及屈服強度按多樓層區域進行劃分，以充分發揮BRB的塑性變形能力；③在參數設計中，可適當降低BRB的屈服后剛度比，從而在一定程度上提高BRB的塑性耗能能力，減輕主體結構的塑性損壞。

5結論

本文對典型高層框剪結構進行多個BRB減震方案設計，對原結構及6個減震結構進行脈沖型及非脈沖型地震動作用下的彈塑性時程分析，基于層間位移角、結構損壞程度及結構耗能指標，對比分析不同BRB框剪結構的減震性能，得到以下主要結論：

（1）脈沖型地震動作用下增設BRB能提高抗側剛度，有效降低結構整體的層間位移角響應，使其滿足規范中保證生命安全的限值要求。BRB布置于內框架的減震結構，對于層間位移角有更高的減震率，尤其是在脈沖型地震動作用下，減震率達到52.1%。

（2）相比非脈沖型地震動，脈沖型地震動加劇了結構構件的損壞程度。脈沖型地震動作用下，BRB布置于內框架的減震結構較明顯地減小了梁構件嚴重損壞程度占比，使結構整體梁構件嚴重損壞程度占比從71%降低至45%以下；從樓層分布來看，有效地減輕了結構上部樓層梁構件的嚴重損壞，較明顯地減輕了豎向構件的中度損壞及嚴重損壞。

（3）相對非脈沖型地震動，脈沖型地震動削弱了減震結構中BRB的塑性耗能能力。在所有減震方案結構中，BRB布置于內框架，且其初始剛度參數按更多樓層區域劃分、屈服后剛度比取較小的減震方案的結構，BRB發揮出較優的塑性耗能能力，有效降低了梁構件和豎向構件的塑性耗能。該減震方案結構在脈沖型地震動作用下具有較高的減震性能。參考文獻：

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Research on Damping Performance Design of BRB Frame-shear

Structure by Near-fault Pulse-like Ground motions

YU Jian ZHAO Licai

（1.China Railway 19th Bureau Group Fifth Engineering Co.Ltd.，Dalian 116100，Liaoning，China）

（2.China Railway 19th Bureau Group Third Engineering Co.Ltd.，Shenyang 110136，Liaoning，China）

（3.Construction Engineering，Taiwan University of Science and Technology，Taipei 10672，Taiwan，China）

Abstract

Pulse-like ground motions exert extremely strong destructive force on building structures.The elastic-plastic dynamic time-history analysis of the typical frame-shear structure and several buckling restrained braces（BRB）shock-absorbing design structures subjected to the pulse-like and non-pulse-like ground motions is carried out.Based on the story drift ratio，the structural damage degree，and the structural energy consumption index，the seismic performance of different BRB frame-shear structures is compared and analyzed.The analysis shows that，due to the improvement of lateral stiffness，the added BRB can help to effectively reduce the story drift ratio response of the frame-shear structure subjected to the pulse-like? ground motions，and make the structure meet the limit requirement in the Code.Instead of being arranged on the periphery，the BRB arranged in the inner frame of the shock-absorbing structure can help to reduce more effectively the serious damage to the upper-floor beam members of the structure subjected to the pulse-like ground motions，and reduce the proportion of the serious damage to the beam members from 71% to less than 45% as a whole，and effectively reduce the moderate- and serious-damage to the vertical members.Pulse-like ground motions can weaken the plastic energy-dissipation capacity of BRB in shock-absorbing structures while the non-pulse-like ground motions cannot.In general，when the structure is arranged with BRB in the inner frame，and the structures initial stiffness and yield strength are divided by more floor zones，the smaller post-yield stiffness ratio would show higher damping performance subjected to the pulse-like ground motions.

Keywords：pulse-like ground motion；frame-shear structure；buckling restrained braces；damping performance