带有意偏心支撑的超高层伸臂结构抗震性能与加强层位置优化研究

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Seismic performance and strengthened-storey optimization of super-tall outrigger buildings using braces with intentional eccentricity

　　

专业术语翻译摘要 带有有意偏心支撑（Braces with Intentional Eccentricity, BIE）为超高层伸臂结构提供了灵活的强度-刚度设计。研究人员提出了一种初步分析方法，用于估算最优加强层位置。优化后的BIE伸臂布置在罕遇地震需求下改善了层间位移控制。BIE伸臂使加强层附近的层间位移角突变减小约58%。BIE体系将耗能向支撑转移，保护了周边构件并降低了基础需求。

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研究背景与问题

随着全球超高层建筑数量迅速增长，结构工程师面临日益严峻的挑战，尤其是在高烈度地震活动区域。2025年3月缅甸发生7.7级地震，导致曼德勒多栋高层建筑倒塌，并造成距震中超过1000公里的泰国曼谷一栋33层建筑倒塌，这一事件凸显了超高层建筑抗震设计的重要性，即使在传统上不被视为高风险区域也是如此。超高层结构因其细长几何形态和复杂传力路径，在地震作用下易产生较大的侧向位移和变形需求，给抗震设计带来特殊挑战。中国抗震规范GB50011-2010主要采用基于承载力的设计方法，要求对层间位移角、周期比和结构刚度进行验算；美国ASCE 7-22采用风险目标方法；欧洲Eurocode 8强调通过多极限状态实现基于性能的设计。尽管这些规范提供了有价值的框架，但在处理刚度突变、局部屈曲敏感性和复杂结构中的不均匀耗能方面仍存在挑战。当建筑高度超过40层时，传统刚性框架、剪力墙和中心支撑框架的抗震效率下降，工程师需要新的抗侧力体系解决方案。伸臂桁架-环带桁架系统通过将核心筒与外框柱连接，可有效控制高层建筑侧向层间位移并减小倾覆力矩，但这类系统会在加强层引入刚度突变，导致局部应力集中和层间位移角突变。这种刚度不规则性可能引发过早的局部屈曲和非延性破坏模式，削弱结构抗震韧性。传统支撑体系，包括中心支撑框架（CBF）和屈曲约束支撑（BRB），在超高层建筑中均存在显著局限性。CBF初始刚度大但延性差，受压易屈曲；BRB延性和耗能能力优于CBF，但其高刚度可能加剧刚度突变问题。传统支撑体系中刚度与强度直接耦合，截面面积同时控制两个参数，难以独立调整以平衡强度、刚度和延性需求。因此，亟需一种能够实现刚度与强度解耦、同时改善超高层建筑地震响应分布的新型支撑体系。

研究内容与意义

本研究针对上述问题，将近年来研发并试验验证的有意偏心支撑（BIE）应用于71层超高层建筑的伸臂桁架系统，并与采用传统钢支撑（CSB）伸臂桁架的相同建筑进行对比分析。数值模型在SAP2000中建立，并针对构件级和子结构级响应进行了验证。建筑按GB50011-2010设计，从位移分布、损伤集中、构件屈服、内力重分布、倾覆力矩、基底剪力以及支撑偏心对整体地震响应的影响等方面评估其性能。研究还提出了一种初步分析方法，用于估算配置BIE伸臂桁架的加强层最优位置。由于BIE的有意偏心降低了伸臂系统的有效刚度，最优加强层位置随所选偏心比而变化，这为确定加强层位置提供了更大的灵活性，是相对于传统钢支撑伸臂系统的额外优势。研究采用反应谱分析验证所提初步方法的准确性，并通过非线性时程分析评估BIE和传统钢支撑伸臂在估算最优位置处的抗震有效性。该研究为利用BIE解决超高层结构抗震设计挑战提供了深入见解，可能支持未来基于性能设计指南的改进。

关键技术方法

研究人员采用以下主要技术方法：基于力学公式确定BIE的弹性刚度、屈服强度、屈服后刚度、极限强度和受压承载力；在SAP2000中采用梁单元模拟BIE，通过几何平移实现偏心，并在支撑两端和跨中设置含八根纤维的塑性纤维铰以表征非线性行为；分别进行单调和循环加载验证，与既有试验数据对比确认模型精度；建立71层超高层建筑三维有限元模型，核心筒和楼板采用壳单元，梁柱支撑采用框架单元，设置刚性楼板假定；采用FEMA 356型集中塑性铰模拟梁柱非线性，核心筒和楼板保持弹性；通过反应谱分析验证初步优化方法，采用七条地震动记录进行非线性时程分析评估罕遇地震性能。地震动记录选自PEER数据库，其中RSN1181为1999年台湾集集地震CHY004台站记录（矩震级7.62），PGA调幅至0.22g。

研究结果

BIE性能验证：在单调加载下，随着偏心增大，受拉响应的弹性刚度和屈服强度降低，屈服后刚度增大，形成清晰的三线性响应。循环加载下，CSB、BIE30（e/r=0.77）和BIE60（e/r=1.53）的滞回曲线与试验结果吻合良好。等效粘滞阻尼比在0.75%-1.0%位移角范围内与试验差异约2-6%。BIE30模型累计耗能64.37 kN·m与试验64.03 kN·m相差不足1%，CSB模型64.13 kN·m与试验65.94 kN·m相差约3%。由于建筑加强层层间位移角需求小于1%，模型在该控制位移范围内提供了良好预测。

子结构验证：对包含BIE伸臂桁架的隔离子结构分别施加位移控制和加速度控制加载，两种加载方式下对角支撑和人字形支撑构型的滞回曲线均表现出良好一致性。位移控制响应显示了BIE的屈服后强度和在大层间位移角需求下的平滑过渡。人字形支撑构型在反复循环下表现出非常稳定的滞回响应，无明显强度或刚度退化。

弹性设计结果：风荷载作用下，CSB伸臂建筑最大层间位移角为1/537（57层），BIE伸臂建筑为1/512（57层），均满足1/500限值。控制风荷载组合下BIE支撑最大轴力7854 kN，为第一屈服强度8610 kN的91.2%，支撑保持弹性。多遇地震下CSB和BIE最大层间位移角分别为1/603（59层）和1/578（59层）。CSB体系30层与31层层间刚度比为0.34，BIE体系为0.59，后者更接近0.9限值，表明BIE伸臂桁架使层间刚度分布更均匀。周期比为0.31，远低于0.85限值。BIE伸臂桁架使加强层附近相邻构件内力大多降低，梁端弯矩和剪力增幅不超过梁承载力的3%。

加强层最优位置：基于Smith和Coull以及Hoenderkamp和Bakker的方法，以侧向荷载作用下结构核心筒顶部水平位移为控制参数，建立了考虑BIE偏心影响的初步分析方法。由于BIE偏心降低了伸臂系统有效刚度，最优加强层位置随偏心比变化。反应谱分析验证了该方法的准确性。

罕遇地震性能：非线性时程分析结果表明，优化后的BIE伸臂布置改善了罕遇地震需求下的位移控制。BIE伸臂使加强层附近的层间位移角突变减小约58%。BIE体系将耗能向支撑转移，保护了周边构件并降低了基础需求。

讨论与结论

研究结果表明，BIE伸臂桁架通过引入可控的偏心，实现了刚度与强度的解耦，使支撑先于周边构件屈服，同时保持较大的极限承载力。这种机制有效缓解了传统伸臂系统在加强层处的刚度突变问题，使层间位移分布更均匀，减少了局部损伤集中。BIE体系将能量耗散集中于支撑构件，保护了核心筒、框架柱等主要竖向构件，降低了倾覆力矩和基底剪力需求，可能带来更小、更经济的基礎设计。所提出的初步分析方法能够根据偏心比灵活确定最优加强层位置，为超高层伸臂结构设计提供了新的工具。该研究为BIE在超高层建筑中的应用提供了定量证据，验证了其满足中国规范性能目标的能力，可能为未来基于性能设计指南的改进提供支持。