屈曲約束支撐鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的消能減震分析

朱 江

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110044)

目前,我國的框架結(jié)構(gòu)主要以鋼筋混凝土框架為主,但該結(jié)構(gòu)形式在高烈度區(qū)的使用對建筑高度、抗震等級和軸壓比[1]62等有嚴(yán)格的要求.設(shè)計(jì)時(shí)若要滿足上述要求,結(jié)構(gòu)必然會(huì)出現(xiàn)“肥梁胖柱”現(xiàn)象,使結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)大幅增加造成結(jié)構(gòu)不經(jīng)濟(jì).因此新版抗震規(guī)范中提出鋼支撐-鋼筋混凝土框架以解決上述問題,但是普通鋼支撐會(huì)出現(xiàn)受壓時(shí)屈曲問題.因此普通鋼支撐在地震載荷作用下,滯回性能差,這會(huì)對結(jié)構(gòu)的抗震性能造成較大影響.

近年來國外開發(fā)出一種新型支撐稱為“屈曲約束支撐”(Buckling restrained brace,BRB),其最早的研究起源于1971日本的 Yoshino[2]30-31對一內(nèi)藏鋼板剪力墻的研究.該支撐是一種新型耗能支撐,其在小震作用下,處于彈性工作狀態(tài),與普通支撐相似為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度,從而保證結(jié)構(gòu)滿足正常使用要求;在罕遇地震作用下,支撐先于主體框架進(jìn)入塑性工作狀態(tài),產(chǎn)生較大的阻尼,耗散地震輸入的大部分能量,迅速衰減結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)(位移、速度、加速度等)保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下不受或少受損壞.能夠?qū)崿F(xiàn)“小震經(jīng)濟(jì)、中震不壞、大震易修、余震不倒”抗震設(shè)防目標(biāo)[3]30-31.

該種形式支撐目前在國內(nèi)外已經(jīng)大量的應(yīng)用到框架設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)也比較成熟,但主要針對的是鋼框架結(jié)構(gòu),在多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中使用及其效果分析研究還較少.國內(nèi)對于屈曲約束支撐鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的研究大部分都是針對某一具體工程進(jìn)行的,并且多圍繞使用效果進(jìn)行分析,沒有具體的BRB設(shè)計(jì)過程,因此造成該種支撐在鋼筋混凝土框架中研究體系的不完整.有鑒于此.本文作者利用國際上比較成熟的大型三維結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000 建立了9層包含屈曲約束支撐的鋼筋混凝土框架計(jì)算模型,并對其地震反應(yīng)進(jìn)行了初步計(jì)算分析,總結(jié)得出屈曲約束支撐對減小鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的有效性.

1 結(jié)構(gòu)概況

1.1 結(jié)構(gòu)初始參數(shù)

該建筑設(shè)計(jì)為大跨度鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu).結(jié)構(gòu)共9層,總高度32.4 m,層高均為3.6 m,一層地面到基礎(chǔ)頂面為0.9 m,柱距7.2 m.建筑所在場地的抗震設(shè)防烈度為8度,近震,Ⅲ類建筑場地;罕遇地震下αmax=0.9,多遇地震下αmax=0.16;場地特征周期Tg=0.45 s;結(jié)構(gòu)平面布置具體尺寸見圖1.計(jì)算取樓板、外墻、樓面均部活載荷為2.0 kN/m2.

圖1 框架平面圖(單位:mm)Fig.1 Ichnography of frame (unit: mm)

1.2 構(gòu)件尺寸

梁、柱均為C50混凝土,板為C30混凝土,梁、柱內(nèi)受力筋為HRB400,箍筋為HRB335.梁、板、柱的設(shè)計(jì)尺寸見表1.

1.3 原結(jié)構(gòu)多遇地震下抗震性能分析

采用SAP2000v15對原有框架進(jìn)行多遇地震下的抗震分析,建模時(shí)樓板在其自身平面內(nèi)采用剛性隔板假定,梁柱單元均采用線彈性單元模擬[4].

1.3.1 反應(yīng)譜分析

反應(yīng)譜中的振型組合根據(jù)中國規(guī)范采用耦聯(lián)法;考慮偶然偏心影響;結(jié)構(gòu)整體阻尼取0.05[1]34.水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.16,特征周期Tg=0.45.

表1 梁、板、柱設(shè)計(jì)尺寸Table 1 Design dimensions of beam,slab and column mm

1.3.2 反應(yīng)譜分析結(jié)果

根據(jù)反應(yīng)譜分析結(jié)果,原有結(jié)構(gòu)前三振型周期分別為1.679(X向平動(dòng))、1.641(Y向平動(dòng))及1.591(扭轉(zhuǎn)),結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比為0.95,結(jié)構(gòu)存在明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)[5].

圖2為純框架結(jié)構(gòu)在多遇地震下的層間位移角.從圖中可以看到,x向最大層間位移角出現(xiàn)在第5層,為0.002 86,除了第1、8、9層,其他層也已經(jīng)超出了規(guī)范規(guī)定的0.001 82的限值.

圖2 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜工況下原有結(jié)構(gòu)層間位移角Fig.2 Story drift angle of the original structure in the standard response spectrum conditions

為了使建筑設(shè)計(jì)能夠滿足抗震的要求,在結(jié)構(gòu)中增設(shè)防屈曲約束支撐,以提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度.

2 屈曲約束支撐布置與選取

2.1 屈曲約束支撐布置

屈曲約束支撐平面布置時(shí)應(yīng)盡量不影響建筑物的使用功能,宜沿主軸兩個(gè)方向布置并滿足結(jié)構(gòu)整體受力的需要[6].豎向布置時(shí)布置形式宜采用單斜形和V形(倒V形)布置,不應(yīng)采用K形或X形,支撐與柱的夾角宜在35°～55°之間.由于原結(jié)構(gòu)的頂層層間位移角遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)要求,因此在頂層未設(shè)BRB,支撐的具體布置方案如圖3～圖4所示.

圖3 屈曲約束支撐布置平面(單位:mm)Fig.3 Plane layout of buckling restrained braces(unit: mm)

2.2 屈曲約束支撐選取

(1) 對原結(jié)構(gòu)用反應(yīng)譜法進(jìn)行多遇地震下的計(jì)算,并提取每層的地震力;

圖4 屈曲約束支撐布置立面(單位:mm)Fig.4 Facade layout of buckling restrained braces(unit: mm)

(2) 假定所有斜撐構(gòu)件拉力與壓力的總水平分量占樓層剪力的比例為R;

(3) 根據(jù)各樓層BRB布置的數(shù)量,計(jì)算出每根BRB應(yīng)承受的軸力.再根據(jù)防屈曲支撐設(shè)計(jì)手冊[3]6來選定支撐的屈服承載力,進(jìn)而得出支撐需要的截面面積.

地震作用下,根據(jù)支撐受力分布規(guī)律,將支撐分為五種類型,各樓層的BRB截面面積計(jì)算結(jié)果見表2.

表2中BRB的屈服承載力為考慮材料的超強(qiáng)系數(shù)1.15后的數(shù)值[3]7.

2.3 模型的建立與地震波的選取

結(jié)構(gòu)計(jì)算分析采用CSI的SAP2000軟件(中文版V15).建模過程中,對樓板設(shè)置為剛性隔板,利用彈塑性連接單元(Plastic)來模擬屈曲約束支撐.

表2 BRB截面積計(jì)算結(jié)果Table 2 The results of cross-sectional area of BRBs

選取的實(shí)測強(qiáng)震記錄分別為EL-Centro波、PEL-HOLLYWOOD STORAGE波和蘭州波2.在8度區(qū),各地震波加速度峰值取小震70 gal,大震400 gal,分析時(shí)間步長0.02 s.結(jié)構(gòu)阻尼比取0.045[1]213.

3 屈曲約束支撐鋼筋混凝土框架計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果,結(jié)構(gòu)的前三振型分別為Y向平動(dòng),X向平動(dòng)和Z向扭轉(zhuǎn),相應(yīng)的周期分別為1.037、0.884和0.782 s.扭轉(zhuǎn)周期與兩平動(dòng)周期的比值分別為0.754和0.885,原有結(jié)構(gòu)存在的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象得到較好的緩解.

3.1 多遇地震下的分析

(1) 層間位移角分析.在多遇地震作用下,結(jié)構(gòu)在加入BRB前后X向的各層層間位移角包絡(luò)如圖5(以EL-Centro波為例)所示.從圖5看出,未加支撐之前結(jié)構(gòu)的2～7層間位移角超過了0.001 82的規(guī)范限值,但加設(shè)屈曲約束支撐后,結(jié)構(gòu)的層間位移角除頂層外(無支撐存在)均較原結(jié)構(gòu)有較大的降低,并且均滿足0.001 82限值要求,說明BRB對結(jié)構(gòu)提供了較大的側(cè)移剛度,顯著降低了樓層側(cè)移.

圖5 小震x方向?qū)娱g位移角Fig.5 x-direction interlayer displacement angle in small earthquakes

(2) BRB軸力分析.多遇地震下BRBF中的BRB所受軸力見表3(以EL-Centro波為例).

表3 多遇地震工況下支撐所受軸力情況Table 3 The brace axial force of small earthquakes

表3中容許的BRB軸力按照文獻(xiàn)3給出的公式計(jì)算.從表可以看出,在多遇地震作用下,結(jié)構(gòu)中的BRB實(shí)際受力均小于其屈服載荷,和普通支撐一樣,只給結(jié)構(gòu)提供側(cè)向剛度.

3.2 結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的分析

(1) BRB軸力分析

大震下支撐所受軸力較大,更多的屈曲約束支撐達(dá)到屈服承載力,開始參與耗能,各層支撐的滯回曲線如圖6所示(以PEL-HOLLYWOOD STORAGE波為例).

圖6 PEL-HOLLYWOOD STORAGE波作用下支撐滯回曲線Fig.6 The hysteretic loop of brace under the PEL-HOLLYWOOD STORAGE earthquake(a)—1層BRB;(b)—2～3層BRB;(c)—4～5層BRB;(d)—6～7層BRB.

從圖6可知,在PEL-HOLLYWOOD STORAGE波作用下,各層支撐均多次屈服,作為第一道抗震設(shè)防消耗地震能量的作用已十分明顯,并且支撐的滯回曲線越飽滿、屈服次數(shù)越多,表明支撐吸收的能量越多,地震對主體結(jié)構(gòu)的影響就越小,從而能夠減小結(jié)構(gòu)體系的位移.很明顯下部樓層的BRB的滯回曲線比上部樓層的飽滿,支撐充分的發(fā)揮了耗能作用.

(2) 層間位移角分析

圖7為結(jié)構(gòu)在罕遇地震下X向?qū)娱g位移角分布圖(以EL-Centro波為例).從圖中可以看出,結(jié)構(gòu)各層的層間位移角均有明顯降幅.其中結(jié)構(gòu)層間位移角最大值x向?yàn)?.005 08,滿足規(guī)范對該類型結(jié)構(gòu)在罕遇地震下層間位移角小于其規(guī)定范圍最小值0.012 5的要求[1]213.結(jié)構(gòu)加入BRB后x向?qū)娱g位移角最大減少量為53.4%.

圖7 大震X方向?qū)娱g位移角Fig.7 X-direction interlayer displacement angle in major earthquakes

4 結(jié) 論

本文對一個(gè)9層屈曲約束支撐-鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震作用效應(yīng)及抗震性能分析,結(jié)論如下:

(1) 通過對純框架結(jié)構(gòu)、屈曲約束支撐框架結(jié)構(gòu)的抗震分析可以看出,純框架結(jié)構(gòu)在高烈度區(qū)的抗側(cè)剛度較弱,而增設(shè)屈曲約束支撐后明顯提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度,使結(jié)構(gòu)的層間位移達(dá)到規(guī)范規(guī)定的要求,為框架結(jié)構(gòu)在高烈度區(qū)高度的限制提供了一種有效的解決方法.

(2) 在耗能和承受地震力方面,屈曲約束支撐可以通過受力、耗能確定屈曲支撐約束截面面積,使其滿足要求.

(3) 加入的BRB框架結(jié)構(gòu),其各層的層間位移角比較均勻,能很好的控制框架結(jié)構(gòu)的薄弱部位,同時(shí)使BRB物盡所用,做到節(jié)約材料和造價(jià)經(jīng)濟(jì)的目的.

(4) 研究結(jié)果表明,屈曲約束支撐設(shè)置的樓層越低,減震效果越好,支撐設(shè)置的樓層越高,減震效果越差.

(5) 通過合理布置BRB的位置,屈曲約束支撐能夠減小或消除結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),并且隨著地震作用的增大,效果略有增加.

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