于建　赵立财

摘要：在脉冲型及非脉冲型地震动作用下，对典型框剪结构及6个屈曲约束支撑（BRB）减震结构进行弹塑性动力时程分析，主要基于层间位移角、结构损坏程度及结构耗能指标，对比分析不同BRB框剪结构的减震性能。结果表明：①由于抗侧刚度的提高，增设BRB能有效降低脉冲型地震动下框剪结构整体的层间位移角响应，使其满足规范限值要求，减震率最高达到52.1%；②相比布置于外周，BRB布置于内框架能更有效减轻脉冲型地震动作用下结构上部楼层梁构件的严重损坏，从结构整体而言使梁构件严重损坏程度占比从71%降至45%以下，同时有效减轻了竖向构件的中度及严重损坏；③相比非脉冲型地震动，脉冲型地震动削弱了减震结构中BRB的塑性耗能能力；④BRB布置于内框架，且其初始刚度和屈服强度按更多楼层区域划分、屈服后刚度比取较小的减震方案的结构在脉冲型地震动下具有较高的减震性能。

关键词：脉冲型地震动；框剪结构；屈曲约束支撑；减震性能

中图分类号：P315.925文献标识码：A文章编号：1000-0666（2023）04-0575-11

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2023.0051

0引言

我国发生过多次破坏性地震，给人民生命财产带来巨大损失。如1976年唐山M_S7.8大地震，灾区设防烈度Ⅵ度，实际烈度达到Ⅺ度；2008年M_S8.0汶川大地震，灾区设防烈度Ⅵ～Ⅶ度，设计“大震”设防烈度为Ⅶ～Ⅷ度，但实际烈度达到Ⅸ～Ⅺ度（徐铭阳等，2022）。汶川地震动记录表现出明显的近断层脉冲特性（Luet al，2010；谢俊举等，2012），从震害情况可见，地震的强度加上地震动脉冲效应，对建筑物具有极为强烈的破坏力，导致严重的人员伤亡和经济损失。从以往研究可知，近断层脉冲型地震动具有明显的向前方向性效应和滑冲效应，会引起明显的长周期速度脉冲（贾路等，2019），且一次地震动的大部分能量都集中在单个或少数几个频率的脉冲上。因此，开展脉沖型地震动作用对建筑结构影响的研究是必要的。

通过减震设计，结构能够具备抵御脉冲型地震动的能力。周敏和薛彦涛（2017）研究了Ⅷ度区某5层BRB框剪结构在罕遇、极罕遇地震作用下的抗震性能，发现减震框架结构能有效降低层间位移角，使其满足1/50限值要求。包嗣海等（2019）以某框剪结构工程为例，采用黏滞阻尼器和BRB建立混合减震结构，发现该结构在极罕遇地震作用下能有效改善结构构件的损坏状态并提高结构安全性能。针对地震动脉冲特性对减震结构的影响，程浩和赵杨（2021）对某高层建筑结构进行BRB减震参数设计，发现在近断层脉冲型地震动作用下BRB减震高层建筑的层间位移反应较大，楼层加速度放大不明显，BRB耗能在结构总塑性耗能中占比减小，结构塑性损伤较大；陈超等（2021）对典型多层校舍采取减震加固技术，研究脉冲型地震动及其它类型地震动作用下减震加固前后的结构抗震性能、残余变形以及阻尼器工作性能等，发现结构的黏滞阻尼减震效率受地震动特性影响不明显。

目前，同时考虑地震强度及地震动脉冲效应对高层建筑结构影响的研究不多见，本文选取一定量的近断层地震动记录，同时考虑地震强度及其脉冲特性，针对典型的高层框架-剪力墙结构进行BRB布置方案和参数的减震性能设计，以期为此类型结构在考虑脉冲型地震动作用下的减震设计提供一定参考。

1框架-剪力墙结构数值模型

1.1结构基本信息

本文结合《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）（以下简称《高规》）8.1节中对于框架-剪力墙结构（以下简称框剪结构）设计的一般布置原则，并参考工程实例，基于PERFORM-3D建立典型的高层框剪结构弹塑性模型。该结构基本信息如下：建筑使用功能为办公，结构的首层高度为4 m，其余楼层高度为3.5 m，共15层，结构总高为53 m。结构首层平面布置如图1所示，灰色阴影部分为框架柱和剪力墙。结构中的框架柱、剪力墙及连梁的混凝土等级划分为：1～5层C40、6～10层C35、11～15层C30，全楼框架梁和楼板均采用C30。结构全部构件均采用HRB400钢筋。抗震设计参数为：抗震设防烈度Ⅷ度（0.20 g），设计地震第一分组，场地类别为Ⅱ类，剪力墙抗震等级为一级，框架抗震等级为二级。基本风压为0.45 kN/m2，地面粗糙度为B类。结构的周期折减系数取为0.75。

1.2PERFORM-3D数值模型

在PERFORM-3D中，该高层框剪结构模型构件均采用纤维截面模型模拟。纤维截面模型通过材料积分获得截面的内力-变形关系，与塑性铰模型直接给出截面内力-变形关系相比，在描述截面压弯耦合非线性行为方面有着更大的优势（崔济东，2017）。为考虑约束混凝土和非约束混凝土的应力-应变关系，模型中的混凝土材料的单轴本构采用修正Kent-Park模型（Scott et al，1982），钢筋材料的单轴本构采用常用的考虑随动强化的双线性弹塑性模型，参数取值依据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）。基于PERFORM-3D的“YULRX”五折线型骨架曲线对上述材料本构进行简化。梁单元按照纤维截面段+弹性段+纤维截面段的形式组装成端部塑性区模型；剪力墙单元使用PERFORM-3D的Shear Wall单元分别采用约束和非约束混凝土纤维来模拟剪力墙的端部约束区与非端部约束区。整体数值模型采用刚性楼板假定，从而减少结构位移自由度以提高整体的计算效率。根据以上条件建立的PERFORM-3D框剪结构数值模型三维图如图2所示。

在工况定义中，按照《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（以下简称《抗规》），取重力荷载代表值为1倍恒载加0.5倍活载；模型采用Rayleigh阻尼，阻尼比取为5%。PERFORM-3D模型与YJK模型的总质量及模态分析结果对比见表1。由表1可见，两模型的总质量和自振周期的相对误差在3%以内，验证了PERFORM-3D模型动力特性的准确性。模型的小震弹性层间位移角分别为X方向1/946，Y方向1/1 018，满足《抗规》中1/800限值要求。该模型可用于后续的计算分析。

2近断层脉冲型地震动作用下框剪结构响应分析

2.1地震动的选取

为探讨近断层地震动脉冲特性对框剪结构地震响应的影响，本文选取一定量的近断层脉冲型及非脉冲型地震动进行对比研究。根据《抗规》5.1.2条规定，分别选取7条近断层脉冲型地震波和7条非脉冲型地震波，其基本信息见表2。14条地震波的加速度反应谱和规范反应谱如图3所示，两类地震波均与规范谱在对应的结构基本周期点上相差不大于20%，满足《抗规》关于所選地震波与规范谱在统计意义上相符的规定。

图4给出其中2条典型的近断层脉冲型地震波GM4CHICHI_TCU076（GM4）和DARFIELD_LI NCN23E（GM6）的加速度时程及速度时程曲线。从图4可以看出，两条地震波的速度时程表现出较大的幅值（PGV/PGA>0.2），且出现了明显的两个相反方向的脉冲。

2.2层间位移角响应分析

地震动加速度时程峰值取罕遇地震相关数值乘以调整系数得到（周敏，2017），Ⅷ度（0.20 g）设防烈度对应的调整系数为1.50，结合《高规》中时程分析罕遇地震峰值取值，地震动主方向加速度峰值取为600 cm/s²。选择结构的X方向为主方向、Y方向为次方向，再选择Y方向为主方向、X方向为次方向，在主、次两水平方向（峰值比1∶0.85）同时输入地震波，对高层框剪结构进行强震作用下的弹塑性动力时程分析，得到结构在X和Y方向的层间位移角响应，如图5所示。

为保证结构在地震动作用下满足生命安全的设防标准，要求结构满足《抗规》对钢筋混凝土框剪结构的弹塑性层间位移角限值（1/100）要求。从图5可看出，脉冲型地震波引起结构层间位移角的强烈响应，部分脉冲型地震波下层间位移角远超出限值，且在X方向，7组脉冲型地震波下的层间位移角平均值也超出限值；相比脉冲型地震波，在非脉冲型地震波下层间位移角基本在限值以下。以上实验表明，脉冲型地震动作用下结构无法满足生命安全的性能标准，需要通过减震设计来提高结构的抗震性能。

3BRB减震方案设计

相较于普通钢支撑，BRB利用外约束单元防止核心单元受压时发生屈曲，是一种受拉特性同普通钢支撑、且受压特性与受拉特性相当的支撑，具有良好的滞回消能作用。本文采用耗能型BRB进行结构的减震设计，耗能型BRB在设计中要求多遇地震水准下不发生屈服，在中强震及大震水准下产生塑性变形及耗能。PERFORM-3D模型中BRB构件由一个BRB复合组件模拟，一个BRB复合组件由一个BRB组件和一个弹性杆组件串联得到。

针对该类典型框剪结构的特点，从BRB布置方式和参数两方面进行减震方案设计。BRB在结构楼层中的布置方式有两种，一种布置于外周，另一种布置于内框架。考虑到X方向为弱侧，对称布置4套BRB，Y方向则对称布置2套BRB，采用单斜撑的安装形式，如图6所示。两种BRB布置方式的三维示意图如图7所示（浅蓝色部分为BRB单元）。BRB布置于1～12楼层，全结构共布置72套BRB。

按楼层划分区域，设计两种方案：①1～4层、5～8层、9～12层共3个区域；②1～2层、3～4层、5～6层、7～8层、9～10层、11～12层共6个区域，在不同区域布置不同初始刚度和屈服承载力的BRB。各方案的屈服承载力数值取相应BRB初始刚度的1/1000，BRB极限变形均取屈服变形的20倍，BRB核心单元长度全部一致。

基于上述方案，再通过改变BRB屈服后刚度比设计其它方案，共设计出6种减震方案，各减震方案的结构模型的编号、BRB布置方式和具体参数见表3。

表4给出原结构与6个减震结构模型自振周期的对比。从表中可以看出，增加BRB之后，结构的自振周期较原结构有一定减小，减小率为18%～30%，表明增加BRB后，结构的抗侧刚度有所提高。

4BRB框剪结构的减震性能分析

通过弹塑性动力时程分析，基于基底剪力、层间位移角、结构构件损坏及塑性耗能等指标，对比分析原结构模型与6个减震结构模型在脉冲型及非脉冲型地震动作用下的减震性能。

4.1基底剪力

原结构与6个减震结构模型在7组脉冲型及非脉冲型地震动作用下的基底剪力平均值见表5。从表中可见，相比于原结构，在脉冲型及非脉冲型地震动作用下各减震结构在X方向的基底剪力平均值有一定程度的降低，尤其JZ-6模型在脉冲型地震动作用下基底剪力平均值降低15.1%，在非脉冲型地震动作用下降低22.0%。

4.2层间位移角响应

原结构与6个减震结构模型在7组脉冲型和非脉冲型地震动作用下的层间位移角平均值如图8所示。从图中可以看出，由于提高了原结构的抗侧刚度，增设BRB能够有效地降低脉冲型地震动下原结构整体的层间位移角响应，使其满足规范限值要求，保证结构整体的安全性能。从结构的自振周期和振型可知，X方向为结构的弱侧。因此，在相同强度地震动作用下，通过减震设计，减震结构在X方向布置的BRB数量多于Y方向，可使层间位移角的降低幅度明显大于Y方向，尤其表现在地震动作用下。综上所述，BRB布置于内框架的减震结构层间位移角较布置于外周的减震结构小，而不同参数方案的减震结构层间位移角响应差异较小。

针对X方向，表6给出6个减震结构在脉冲型和非脉冲型地震动作用下不同楼层的层间位移角减震率。综合来看，在脉冲型地震动作用下，JZ-4结构的层间位移角减震效果最佳，最高减震率为52.1%，在第4层；在非脉冲地震动作用下，JZ-6结构的层间位移角减震效果最佳，最高减震率为47.0%，在第2层。

4.3结构构件损坏程度

4.3.1判别标准

以X方向为主方向的计算结果为例，对比分析原结构与6个减震结构在脉冲型及非脉冲型地震动作用下的结构损坏程度。参考《建筑结构抗倒塌设计规范》（CECS 392—2014），基于混凝土和钢筋材料的应变来判别混凝土结构构件的损坏程度，见表7。为方便统计结构构件的损坏程度，将结构中的框架梁和梁合并统计为梁构件，将框架柱和剪力墙合并统计为竖向构件。

4.3.2梁构件损坏程度

分别取脉冲型及非脉冲型地震动作用下结构整体的梁构件损坏程度平均值进行统计。原结构及6个减震结构的梁损坏程度占比如图9a所示。从图中可看出，在脉冲型地震动作用下原结构的梁构件大部分出现了严重损坏，严重损坏程度占71%，而在非脉冲地震动作用下仅占34%。本文通过BRB减震设计有效地减轻了梁构件的损坏，

尤其是将BRB布置于内框的结构中时尤为明顯，JZ-4、JZ-5、JZ-6结构均使梁构件在脉冲型地震动作用下的严重损坏程度降低至45%以下。

统计梁构件的严重损坏程度沿楼层分布的占比，如图9b所示。从图中可以发现，原结构梁构件的严重损坏程度占比在脉冲型地震动下明显大于非脉冲型地震动下的占比，脉冲型地震动下原结构大部分楼层中（2～11层）梁严重损伤程度占比达到100%，即楼层中所有梁完全发生严重损坏；在非脉冲型地震作用下，各减震结构的梁构件严重损坏程度占比无明显的差异，且随楼层变化趋势基本一致；而在脉冲型地震作用下，相较于BRB布置于外周的3个减震结构，BRB布置于内框架的3个减震结构的上部楼层（9～14层）梁构件严重损坏程度占比有一定减少。

4.3.3竖向构件损坏程度

分别取脉冲型及非脉冲型地震动作用下结构整体的竖向构件损坏程度平均值进行统计。原结构及6个减震结构的竖向构件损坏程度占比情况如图9c所示。从整体的竖向构件损坏程度来看，各结构的竖向构件无损坏程度的占比没有明显的差异。在脉冲型地震动作用下，减震结构一定程度上降低了竖向构件的中度损坏及严重损坏，JZ-4、JZ-5、JZ-6结构表现较为明显。与梁构件相比，竖向构件损坏程度明显较低，且损坏主要集中在结构的底层，因此结构拥有足够的安全储备，体现了“强竖向构件弱水平构件”的延性设计理念。

4.4结构塑性耗能分析

针对脉冲型及非脉冲型地震动作用下弹塑性动力时程分析得到的各项能量指标的平均值进行对比分析。能量指标包括：地震总输入能、各结构的瑞雷阻尼耗能比例和塑性耗能的比例（包括梁构件、竖向构件及BRB的塑性耗能），见表8。从表中可知，在同等加速度峰值的地震动输入下，脉冲型地震动输入到结构的总能量明显大于非脉冲型地震动输入的总能量。从地震输入能量的角度分析，其原因为脉冲型地震动中具有极大的瞬时输入能，占地震总输入能的大部分（丁玉春，朱晞，2007）。另外，由于BRB的布置提高了结构整体抗侧刚度，改变了原结构动力特性，减震结构能够减少脉冲型地震动总输入能，尤其表现在JZ-4、JZ-5、JZ-6结构。从塑性耗能比例结果来看，JZ-4、JZ-5、JZ-6结构的塑性耗能较JZ-1、JZ-2、JZ-3明显，其中JZ-6结构的塑性耗能比例最大，达到24.0%，有效地降低了梁构件和竖向构件的塑性耗能（比例为所有结构中最小），提高了主体结构的安全性。在非脉冲型地震动作用下，JZ-6结构的塑性耗能比例最大。整体而言，脉冲型地震动下减震结构中的塑性耗能能力较弱，而梁构件和竖向构件承担了较多塑性耗能，反映出脉冲型地震动对结构的塑性破坏有更大的影响。

图10为脉冲型及非脉冲型地震动作用下各减震结构中BRB在3类构件塑性耗能中的占比，更直观地展示了各减震结构中BRB的塑性耗能能力。从图中可知，脉冲型地震动削弱了BRB的塑性耗能能力。JZ-6结构在脉冲型及非脉冲型地震动作用下的BRB塑性耗能占比均为最高，其中在脉冲型地震动下占比达到42.8%；JZ-5结构中BRB塑性耗能占比大于JZ-4结构，表明按更多楼层区域进一步划分BRB的初始刚度和屈服强度参数有利于提高整体BRB的塑性耗能能力。

基于层间位移角响应、结构损坏程度和结构耗能分析可知，JZ-6结构是较优的减震结构，在所有减震方案结构中表现出较高的减震性能。由此建议：①在此类框剪结构中，应优先考虑将BRB布置于结构的内框架中；②对BRB的初始刚度及屈服强度按多楼层区域进行划分，以充分发挥BRB的塑性变形能力；③在参数设计中，可适当降低BRB的屈服后刚度比，从而在一定程度上提高BRB的塑性耗能能力，减轻主体结构的塑性损坏。

5结论

本文对典型高层框剪结构进行多个BRB减震方案设计，对原结构及6个减震结构进行脉冲型及非脉冲型地震动作用下的弹塑性时程分析，基于层间位移角、结构损坏程度及结构耗能指标，对比分析不同BRB框剪结构的减震性能，得到以下主要结论：

（1）脉冲型地震动作用下增设BRB能提高抗侧刚度，有效降低结构整体的层间位移角响应，使其满足规范中保证生命安全的限值要求。BRB布置于内框架的减震结构，对于层间位移角有更高的减震率，尤其是在脉冲型地震动作用下，减震率达到52.1%。

（2）相比非脉冲型地震动，脉冲型地震动加剧了结构构件的损坏程度。脉冲型地震动作用下，BRB布置于内框架的减震结构较明显地减小了梁构件严重损坏程度占比，使结构整体梁构件严重损坏程度占比从71%降低至45%以下；从楼层分布来看，有效地减轻了结构上部楼层梁构件的严重损坏，较明显地减轻了竖向构件的中度损坏及严重损坏。

（3）相对非脉冲型地震动，脉冲型地震动削弱了减震结构中BRB的塑性耗能能力。在所有减震方案结构中，BRB布置于内框架，且其初始刚度参数按更多楼层区域划分、屈服后刚度比取较小的减震方案的结构，BRB发挥出较优的塑性耗能能力，有效降低了梁构件和竖向构件的塑性耗能。该减震方案结构在脉冲型地震动作用下具有较高的减震性能。参考文献：

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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