消能支撑在某钢结构工程中的应用

第41卷第10期2011年10月建筑结构Building Structure Vol．41No．10

Oct．2011

消能支撑在某钢结构工程中的应用

李中军1，张吾愈2，李钢3，李宏男3，张金库1，宋士伟

1

（1大连理工大学土木建筑设计研究院，大连116023；2青海大学土木工程学院，西宁810016；

3大连理工大学建设工程学部，大连116023）

［摘要］在某培训中心钢结构工程中，采用消能支撑有效解决了设计过程中出现的层间侧移延性比不满足要求的问题。通过在梁与支撑节点设置金属屈服阻尼器，

将普通钢支撑改造成消能支撑，并给出了阻尼器安装位置的节点示意图。计算分析结果表明，消能支撑与普通钢支撑相比，可以有效减小结构在地震作用下的位移反应，提高结构的安全储备，具有良好的经济效益。

［关键词］消能支撑；金属屈服阻尼器；模态分析；地震反应分析中图分类号：TU391.9

文献标识码：A

文章编号：1002-

848X （2011）10-0076-03Application of energy dissipation brace in a steel structure

Li Zhongjun 1，Zhang Wuyu 2，Li Gang 3，Li Hongnan 3，Zhang Jinku 1，Song Shiwei 1

（1The Design Institute of Civil Engineering ＆Architecture ，Dalian University of Technology ，Dalian 116023，China ；

2School of Civil Engineering ，Qinghai University ，Xining 810016，China ；

3Faculty of Infrastructure Engineering ，Dalian University of Technology ，Dalian 116023，China ）

Abstract ：In the actual project of a steel structure ，the energy dissipation braces were used to solve the problem that the ductility ratio of inter-story displacement cannot satisfy the demand．Ordinary steel braces were reformed to energy dissipation braces through installing the energy dissipation devices on the joint of brace and beam ，and the joint diagram was given．The calculating results show that energy dissipation braces can reduce the displacement response of building under earthquake effectively ，ensure the structure safety and save the engineering cost．

Keywords ：energy dissipation brace ；metallic damper ；modal analysis ；seismic response analysis

作者简介：李中军，硕士，研究员，一级注册结构工程师，Email ：lzjdlut @126．com 。

0引言

钢结构建筑一般刚度和阻尼较小，对地震作用

比较敏感，实际震害调查结果表明，结构强度的不足不是导致结构破坏的主要因素，只要结构强度在地震作用过程中能够维持，且具有弹塑性变形的能力，就能在地震中得以幸存

［1］

。当前，我国关于钢结构

抗震设计主要遵循“小震不坏、中震可修、大震不倒”的原则，在设计理论与方法上已取得了较多的研究成果

［2-7］

。《高层民用建筑钢结构技术规程》

（JGJ99—98）［8］（以下简称《高钢规》）给出了钢结构抗震设计两阶段设计法：第一阶段为多遇地震作用下的弹性分析，验算构件的承载力和稳定以及结构的层间侧移；第二阶段为罕遇地震下的弹塑性分析，验算结构的层间侧移和层间侧移延性比。

支撑是钢结构中的常见抗侧力构件，消能支撑则是一种特殊支撑形式，隶属于消能减震技术领域，是建筑结构在抗震方面的一项重要革新。我国《建筑抗震设计规范》

（GB50011—2001）［9］首次将消能减震技术和隔震技术作为重要内容专门设置一个章节，现行《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）［10］（简称《抗震规范》）保留了原有关于消能

减震技术的内容，并对相关条款进行了部分修改。可见，消能减震技术的应用必将成为我国结构抗震领域的一个发展趋势。本文将消能支撑应用于实际工程中，解决了钢结构设计过程中层间侧移延性比不满足要求的问题，有效地提高了钢结构的延性与耗能能力，为钢结构抗震设计提供了一个新思路。1

工程概况

大连某高校实习培训中心为8层钢框架结构，如图1所示。建筑所处地区抗震设防烈度为7度，结构抗震等级为三级，场地土类型为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，特征周期为0.35s ，基本风压0.65kN /m 2；场地粗糙度类别B 类，基本雪压为0.40kN /m 2。采用PKPM 软件自动考虑结构自重荷载，楼

面活荷载施加情况如下：办公室2.0kN /m 2

，走廊、门厅、楼梯3.5kN /m 2，上人屋面2.0kN /m 2，卫生间4.0kN /m 2，电梯、通风机房7.0kN /m 2；没有动力荷

载。工程按照使用功能的要求存在中间空旷、大跨且高柔的特点，结构平面图如图2所示，工程设计伊始采用增设柱间钢支撑来提高结构的侧向刚度，并

第41卷第10期李中军，等．

消能支撑在某钢结构工程中的应用

图1

某实习培训中心办公楼效果图图2结构平面、

消能支撑布置图

图3消能支撑节点示意图

按照《高钢规》对结构进行两阶段设计。设计过程中发现，罕遇地震作用下结构沿Y 方向的层间位移并未得到较好的控制，

不满足《高钢规》中关于层间侧移延性比的相关要求。因消能减震技术可以有效减小结构在地震作用下的振动反应，工程设计中提出将Y 方向的普通钢支撑改造为带有金属屈服阻尼器的消能支撑来解决上述问题。2

消能支撑设计

常见的消能支撑形式包括约束屈曲支撑、消能器与普通钢支撑的组合体、斜隅支撑等。其中，消能器与支撑联合使用，以及约束屈曲支撑在工程中最为常见。现行《抗震规范》将消能器分为两类，即速度型和位移型。速度型消能器通常包括粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器；位移型消能器通常包括摩擦阻尼器和金属屈服阻尼器。目前，

工程中粘滞阻尼器和金属屈服阻尼器应用较多，特别是金属屈服阻尼器更是以经济、实用等特点被工程界广为接受。本工程中选用文［11］，［12］开发的新型金属屈服阻尼器作为消能装置，将金属屈服阻尼器与钢支撑相连接，构成消能支撑体系。消能支撑节点如图3所示。3

计算分析

3.1模型建立

为了求解装有消能支撑的钢结构在罕遇地震作用下的位移反应，采用ANSYS 软件建立了有限元分析模型。分析模型的建立通过APDL 及内嵌的FORTRAN 参数化语言来实现，梁、柱均采用Beam188三维梁单元，采用Mass21单元来模拟结构的自重，并同时考虑结构X ，Y ，Z 三个方向的质量惯性力，金属阻尼器采用Combin40单元模拟，框架梁、柱模型考虑了钢材的弹塑性，采用强化双线性模型模拟。楼板为混凝土弹性材料，

忽略非线性变形。建立的有限元整体模型如图4所示，阻尼器与梁连接的节点模型如图5所示

。

图4

有限元模型图5有限元节点图

3.2地震记录

工程所处地区为Ⅱ类场地，抗震设防烈度为7度，计算过程中选取了两条能代表Ⅱ类场地的天然地震记录和一条人工地震记录（表1），在计算结构在罕遇地震作用下的位移反应时，加速度峰值调整

7

7

建筑

结构2011年

地震记录

表1

编号台站

地震（时间）分量10453Taft Lincoln School Kern County （1952/7/21）TAF021（Y ）TAF111（X ）2LA-BALDWIN HILLS

Northridge （1994/1/17）BLD090（Y ）3

—

人工波

RGB090（Y ）RGB360（X ）

为220gal ，沿X ，Y 方向分别输入地震动。3.3模态分析

为了验证ANSYS 有限元模型的准确性，对其进行了模态分析，

并与SATWE 软件分析结果进行对比。ANSYS 有限元软件计算模态时，不考虑材料非线性行为，均视为弹性材料。表2给出了采用ANSYS 和SATWE 软件计算的结构前5阶自振周期。计算结果表明，两种模型计算的结构前5阶自振周期结果接近，可见，ANSYS 模型与SATWE 模型具有很好的一致性。ANSYS 软件分析的前3阶模态变形如图6所示，

从图中可以看出，第1阶振型为X 向侧移变形，第2阶振型为Y

向侧移变形，第3阶振型为扭转变形。

结构自振周期对比/s

表2

计算软件第1阶第2阶第3阶第4阶第5阶PKPM 1.82 1.11 1.060.550.35ANSYS

1.74

1.09

0.99

0.58

0.39

图6装有消能支撑的钢结构前3阶模态变形图

3.4地震反应3.

4.1多遇地震作用

由于多遇地震作用下结构各构件及消能支撑均处于弹性阶段，可按照普通钢结构来设计和分析。以SATWE 软件分析结果为依据，结构在多遇地震作用下Y 方向的最大层间位移和层间位移角见表3。

多遇地震下结构最大层间位移与层间位移角

表3

楼层12345678层间位移/mm 2.7

3.2

3.5

3.6

3.6

3.4

3.0

2.0

层间位移角

1/19451/12821/11391/10901/10841/11251/12221/1454

3.4.2罕遇地震作用

装有消能支撑的钢框架结构在罕遇地震作用下表现出较强的非线性。由于SATWE 软件无法考虑结构的非线性，

特别是消能器的非线性，因此以有限元软件ANSYS 计算结果为依据，表4给出了在3种地震记录作用下，结构Y 方向各层最大层间位移及层间位移角。

罕遇地震下结构Y 向最大层间位移与层间位移角表4

楼层层间位移/mm

地震1地震2地震3平均值层间位移角8

3.7

4.07.0 4.91/7967 4.4 3.68.5

5.51/7096 5.4 4.610.97.01/5605

6.3 5.412.88.21/4784 6.8 6.013.88.91/4403 6.9 6.314.19.11/4292 6.4 6.012.88.41/4641

4.3

4.1

8.9

5.8

1/676

3.5层间侧移延性比

《高钢规》中给出了层间侧移延性比的概念，即结构层间最大侧移与其弹性侧移之比，当结构为框架偏心支撑时，其值不得超过3.0。表5中给出了安装普通钢支撑与安装消能支撑的钢结构在多遇和罕遇地震作用下结构Y 方向的最大层间位移角以及层间侧移延性比。表中数据表明，安装普通钢支撑的钢结构延性比明显不满足《高钢规》要求，安装消能支撑大大降低了结构在罕遇地震作用下的层间位移，结构层间侧移延性比随之降低，满足《高钢规》

中规定的限值。安装普通支撑与消能支撑结构的层间侧移延性比

表5

楼层

12345678普

通支撑

消

能支撑

层间位移角（多遇）1/17971/12721/11871/11771/11941/12611/13991/1711

层间位移角（罕遇）1/5361/3301/2801/2611/2591/2721/2981/352层间侧移延性比 3.4 3.9 4.2 4.5 4.6 4.6 4.7 4.9层间位移角（多遇）1/19451/12821/11391/10901/10841/11251/12221/1454

层间位移角（罕遇）1/6761/4641/4291/4401/4781/5601/7091/796层间侧移延性比

2.7

2.7

2.8

2.7

2.5

2.3

2.0

2.1

4经济性分析

本工程采用消能支撑来解决钢结构层间延性比

不满足要求的问题，是抗震设计中的新尝试，为了更深入地了解此方法的有效性和经济性，采用增大构件截面尺寸方法，即增大柱子和支撑截面方案进行对比分析。表6给出了柱和支撑用钢量的对比情况，从表中数据可以看出，采用消能支撑方案较传统方法在解决层间延性比问题上具有显著的经济效益，用钢量明显减少。

（下转第111页）

8

7

第41卷第10期李心军．北京奥运物流仓库地基处理方案比选与实施

时未出现极限破坏状态，单桩承载力特征值满足设计要求的800kN。依据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79—2002）［1］，按照桩间土承载力和面积置换率计算，复合地基承载力特征值满足设计要求的400kN。

按现行有关规范规定，应在上部结构施工期间进行沉降观测，必要时还需在使用期间继续观测，以评价地基加固效果，并为建筑物使用维护提供依据［7］。在北京奥运物流仓库的上部结构施工过程中，按照施工规范要求在建筑物四周布置了一定数量的沉降观测点，定期观测，直至工程竣工，测得最大沉降量为12mm，各观测点的沉降已呈现稳定趋势。根据北京地区的工程经验，建筑物封顶时的沉降量约占总沉降量的60% 70%［8］。经过近两年的使用期间的沉降观测，本工程的最终沉降量为18mm（若沉降速度小于0.01 0.04mm/d，可认为已进入稳定阶段），沉降满足设计要求。

5结语

CFG桩复合地基设计理论较为完善，需结合工程特点和地质情况，适当修正理论计算结果。施工过程中的成孔速度、泵送速度、施工顺序等都对处理效果有较大影响，尤其是施工人员素质、施工管理水平等因素。北京奥运物流仓库工程选定CFG桩复合地基进行地基处理，施工过程顺利，效果良好；地基承载力提高幅度较大，变形小，稳定快，成本较低；对环境的影响较小；满足质量、工期、成本、环境等多方面要求，为建筑工程的顺利实施垫定了基础，对其他类似项目的地基处理亦具有一定借鉴意义。

参考文献

［1］JGJ79—2002建筑地基处理技术规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2002.

［2］GB50007—2002建筑地基基础设计规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2002.

［3］中国建筑科学研究院企业标准．Q/JY06—1997水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）复合地基技术规定［S］．1997.［4］史佩栋．实用建筑工程系列手册———实用桩基工程手册［M］．北京：中国建筑工业出版社，2000.

［5］JGJ106—2003建筑基桩检测技术规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2003．

［6］陈永学，翟振威．CFG桩复合地基承载力的研究［J］．西部探矿工程，2007（7）：38-40.

［7］吴有来．浅谈地基处理及基础设计［J］．广东建材，2006（11）：95-97.

［8］黄骁．CFG桩在地基处理中的应用研究［D］．长春：吉林大学，2004.

（上接第78页）

结构首层钢材用量比较表6构件支撑柱

增大构件截面法H350?200?20□500?30

设置消能支撑H250?200?18□450?28

节省用钢量/%2216

5结语

装有普通钢支撑的钢结构往往在罕遇地震作用下层间位移反应过大，使得结构层间侧移延性比不满足《高钢规》限值要求。结合某培训中心钢结构工程，介绍了采用消能支撑来解决高层钢结构的层间侧移延性比不满足要求的方法。该方法通过在框架梁与支撑节点处设置消能装置，将普通钢支撑改造成消能支撑，并在设计过程中解决了消能支撑与框架梁之间的节点连接、地震作用分析等诸多技术问题。设计、分析结果表明，消能支撑可以有效降低结构在地震作用下的位移反应，且经济、实用，可供类似工程参考。

参考文献

［1］沈祖炎，孙飞飞．关于钢结构抗震设计方法的讨论与建议［J］．建筑结构，2009，39（11）：115-122．［2］李国强，孙飞飞．关于钢结构抗震存在的问题及建议［J］．地震工程与工程振动，2006，26（6）：108-114．［3］陈小峰，邓开国，郝际平．关于钢结构抗震设计的探索［J］．建筑结构，2009，39（S1）：465-471．

［4］熊俊，王元清，石永久，等．含偏心支撑高层钢结构的抗震性能分析［J］．郑州大学学报，2009，30（3）：1-4．［5］彭观寿，高轩能．基于性能的钢结构抗震设计理论与方法［J］．钢结构，2007，22（1）：49-54．

［6］刘洁平，李小东，张令心．巨型钢结构抗震研究综述［J］．世界地震工程，2004，20（4）：42-46．

［7］徐海波，王广建，易方民，等．中美两国钢结构抗震设计对比分析［J］．工程抗震与加固改造，2010，32（2）：

81-86．

［8］JGJ99—98高层民用建筑钢结构技术规程［S］．北京：中国建筑工业出版社，1998．

［9］GB50011—2001建筑抗震设计规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2001．

［10］GB50011—2010建筑抗震设计规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2010．

［11］李钢，李宏男．新型软钢阻尼器的性能研究［J］．振动与冲击，2006，25（3）：66-73．

［12］李宏男，李钢，李中军，等．钢筋混凝土框架结构利用“双功能”软钢阻尼器的抗震设计［J］．建筑结构学

报，2007，28（4）：36-44．

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