• 作者：甄伟，邱意坤，张万开，杨青顺　　
• 出处：《工程力学》（EI），2021 　　
• 主题：BRB 伸臂桁架、阻尼伸臂、耗能、损伤控制
• 期刊官方阅览链接：http://www.engineeringmechanics.cn/cn/article/id/96fd1b17-aeea-4f88-9c8d-c272dbdc2795
• 伸臂桁架是框架 - 核心筒类超高层建筑协调内外结构协同受力、控制侧向变形的关键加强层构件，优化桁架自身耗能能力、实现地震损伤可控，是提升超高层整体抗震韧性的核心手段。当前工程主流伸臂桁架分为三类：传统普通钢支撑伸臂桁架、腹杆替换为屈曲约束支撑（BRB）的耗能型伸臂桁架、端部增设摩擦阻尼构件的阻尼型伸臂桁架，三类构造的耗能分配、变形控制、构件损伤防护效果存在显著差异。本文以 144m 高度典型超高层框架 - 核心筒建筑为研究载体，建立三组分别搭载不同桁架形式的精细化非线性有限元模型，选取多条天然地震动记录开展设防、罕遇地震动力时程分析；结合伸臂桁架足尺构件拟静力试验校准模型滞回力学参数，从结构总地震能量分配、塑性耗能占比、层间位移响应、核心筒墙体损伤程度四大维度系统对比三类桁架抗震表现。分析结果表明：相较传统普通支撑桁架，BRB 型、阻尼型伸臂桁架均可大幅提升整体结构塑性耗能水平；BRB 伸臂桁架对建筑层间侧移、层间位移角约束效果最优，减震效率可达 9.29%；端部阻尼型伸臂桁架可主动分担地震输入能量，显著降低核心筒剪力墙塑性损伤比例，对主体竖向承重构件保护作用更突出。文章明确两类耗能型伸臂桁架的适用场景与设计侧重点，为高烈度区超限超高层加强层桁架选型、地震损伤分级控制提供完整数值依据与设计思路。

一、研究背景与工程研究意义

超高层建筑普遍采用巨柱框架 - 钢筋混凝土核心筒搭配伸臂桁架的复合抗侧体系，伸臂桁架可传递倾覆力矩、均衡内外结构刚度，是控制整体侧移的核心构件。传统普通钢腹杆伸臂桁架存在明显抗震短板：往复地震荷载下斜腹杆受压极易整体屈曲，滞回曲线捏缩严重、耗能能力薄弱，地震能量大多由核心筒连梁、剪力墙承担，极易造成墙体大面积开裂、塑性损伤集中，震后修复工程量大，难以满足 “设防地震可快速恢复使用” 的韧性建筑目标。

现阶段工程衍生出两种主流耗能优化方案：一是将桁架斜腹杆替换为屈曲约束支撑（BRB），依靠 BRB 拉压对称塑性变形耗散能量；二是在桁架与核心筒、巨柱连接端部增设摩擦阻尼器，通过阻尼滑移消耗地震能量。但两类耗能桁架在变形控制、主体结构损伤防护上的优劣缺少系统化量化对比，设计师选型缺少明确判定依据。

基于上述工程设计缺口，本文依托实体超高层项目，结合构件拟静力试验与整体结构动力时程模拟，厘清普通桁架、BRB 桁架、阻尼桁架的耗能演化规律，划分不同抗震需求下的最优桁架方案，完善超高层加强层消能减震与损伤控制设计理论。

二、三类伸臂桁架构造与耗能工作机理

（一）传统普通钢支撑伸臂桁架

桁架上下弦采用焊接 H 型钢，斜腹杆为普通十字交叉钢支撑，仅依靠钢材屈服消耗少量地震能量；受压腹杆易发生整体失稳，承载力快速下降，循环加载下耗能持续衰减，地震能量大量转移至核心筒剪力墙与连梁，筒体易产生不可逆塑性损伤。

普通桁架滞回曲线

（二）BRB 屈曲约束支撑型伸臂桁架

保留原有桁架弦杆，全部斜腹杆替换为低屈服点屈曲约束支撑，外部约束套管限制内核钢板受压屈曲，拉、压荷载下均可稳定进入塑性屈服；滞回曲线饱满对称，可稳定持续消耗地震能量，附加阻尼比提升显著，核心作用是提升结构整体抗侧刚度、严格控制楼层侧向变形。

BRB桁架滞回曲线

（三）端部摩擦阻尼型伸臂桁架

桁架腹杆仍采用普通钢支撑，在桁架与核心筒、外围巨柱的连接节点处增设独立摩擦阻尼装置；地震往复转动时阻尼片发生相对滑移，依靠摩擦作用耗散地震能量，桁架主体杆件全程维持弹性状态，可大幅削减传递至核心筒的内力，从源头降低墙体塑性损伤发展。

阻尼桁架滞回曲线

三、试件拟静力试验与有限元模型校准

（一）足尺构件拟静力加载试验

分别制作三类桁架 1:3 缩尺试件开展低周往复拟静力试验，逐级施加往复位移荷载，全程记录荷载 - 位移滞回曲线、构件破坏形态、塑性耗能总量：

1. 普通桁架：加载中期腹杆屈曲，承载力快速跌落，滞回环狭窄，耗能总量最低；
2. BRB 桁架：加载全过程承载力稳定无明显退化，滞回包围面积大幅提升，变形控制能力突出；
3. 端部阻尼桁架：桁架主体无塑性损伤，损伤集中于可拆卸摩擦阻尼件，震后仅更换阻尼器即可恢复结构性能。

（二）超高层整体有限元模型建立

以总高 144m、设置两道伸臂加强层的框架 - 核心筒塔楼为原型，采用非线性有限元软件搭建三组对照整体模型：

模型 1：传统普通钢腹杆伸臂桁架（对照组）

模型 2：腹杆全替换为 BRB 的耗能伸臂桁架

模型 3：端部增设摩擦阻尼器的阻尼型伸臂桁架

输入多条天然地震动记录，分别完成设防地震、罕遇地震两级动力时程分析，同步提取总输入地震能量、各构件塑性耗能分配、层间位移角、剪力墙损伤占比等量化指标。

超高层整体有限元模型

四、三类伸臂桁架抗震性能量化对比分析

（一）结构整体塑性耗能能力

同等地震动输入条件下，BRB 桁架、阻尼桁架体系整体塑性耗能占比显著高于普通桁架：普通桁架塑性耗能占总输入能量比例均值仅 25% 左右，BRB 桁架可达 32%，端部阻尼桁架塑性耗能比例约 29%。两类耗能桁架均可主动分担地震能量，减少核心承重构件塑性损伤积累。

三类桁架塑性耗能比例对比

（二）楼层侧向变形控制效果

BRB 伸臂桁架依靠 BRB 构件稳定抗侧刚度，对层间位移角约束效果最优，多组地震波平均减震效率 9.29%；端部阻尼桁架减震效率均值 7.16%，变形控制能力略弱于 BRB 桁架；普通桁架腹杆屈曲后结构刚度骤降，楼层侧移增幅明显，难以满足超高层变形限值要求。

两类耗能桁架减震效率对比

（三）构件塑性耗能分配与损伤控制

1. 普通桁架：地震能量主要由核心筒连梁、剪力墙承担，墙体塑性损伤占比超过 90%，罕遇地震下筒体易出现大面积贯通裂缝；
2. BRB 桁架：塑性损伤集中于 BRB 腹杆，剪力墙耗能占比大幅下降，兼顾变形控制与主体保护；
3. 端部阻尼桁架：摩擦阻尼器承担绝大部分塑性耗能，桁架弦杆、核心筒墙体基本维持弹性，对混凝土筒体损伤抑制效果最优，完美适配需要震后快速修复的医院、应急指挥等关键公共超高层。
4. 构件塑性耗能分配占比

五、两类耗能伸臂桁架差异化适用场景与设计要点

（一）BRB 屈曲约束支撑伸臂桁架适用场景

适合高度大、刚度控制严苛、高风荷载区域的超高层写字楼、综合体，核心设计要点：

1. 全部桁架斜腹杆统一选用低屈服 BRB，保障全楼层刚度均匀分布，规避薄弱层；
2. BRB 与桁架弦杆采用高强螺栓干式连接，便于震后拆卸更换耗能构件；
3. 验算 BRB 极限变形与楼层最大层间位移匹配，避免支撑提前达到变形极限丧失耗能能力。

（二）端部摩擦阻尼型伸臂桁架适用场景

适合高抗震设防烈度、对震后修复性要求高的医疗、政务、应急类超高层建筑，核心设计要点：

1. 阻尼器独立布置于桁架两端连接节点，增设限位辅助装置，保证阻尼件仅发生剪切滑移、不承受额外弯矩；
2. 阻尼器刚度、承载力可独立分开设计，设计自由度更高；
3. 阻尼件标准化模块化生产，震后无需拆解桁架主体，仅替换阻尼配件即可恢复建筑使用功能。

六、当前耗能伸臂桁架应用现存技术短板

1. BRB 伸臂桁架造价偏高，大跨度加强层大批量布置会提升项目整体结构成本；
2. 端部阻尼桁架整体抗侧刚度提升有限，对于超细长周期塔楼，需搭配环带桁架补充刚度；
3. 现行超高层抗震设计规范缺少耗能伸臂桁架专项验算细则，阻尼、BRB 参数取值无统一标准；
4. 阻尼器长期风致往复滑移存在磨损老化问题，缺少长期疲劳性能完整试验数据支撑。

七、论文核心研究结论与工程应用价值

1. 传统普通钢腹杆伸臂桁架受压易屈曲，耗能能力差，地震损伤大量集中于核心筒剪力墙，不适用于高烈度区超限超高层；BRB 型、端部阻尼型两类耗能伸臂桁架均可显著提升结构塑性耗能水平，实现地震损伤转移至可拆卸耗能构件，大幅降低主体承重构件破坏风险。
2. 性能差异化结论：BRB 伸臂桁架在楼层侧移、层间变形控制上优势突出，减震效率更高；端部摩擦阻尼伸臂桁架对核心筒墙体损伤抑制效果最优，建筑震后修复成本更低、恢复速度更快。
3. 可依据项目核心设计目标完成桁架选型：以控制侧向变形、满足风振舒适度为优先目标时选用 BRB 伸臂桁架；以降低筒体损伤、实现中震快速修复、提升建筑抗震韧性为核心需求时，优先采用端部阻尼型伸臂桁架。
4. 本文结合构件拟静力试验与多组地震波动力时程分析形成的能量分配、损伤量化分析方法，可为高烈度区超高层加强层消能减震专项设计、超限抗震审查提供完整数值分析流程与判定依据，完善耗能型伸臂桁架工程设计技术体系。