極低屈服點鋼在密肋壁板結(jié)構(gòu)中的減震控制研究

田 潔, 顏智超, 盧俊龍

(西安理工大學 土木建筑工程學院，西安 710048)

耗能減震技術(shù)是一種具有良好發(fā)展前景的抗震措施。為了改善地震作用下結(jié)構(gòu)的工作性能，日本最先開發(fā)出了各種低屈服點軟鋼耗能阻尼器，并按其屈服強度可以劃分為100 MPa、160 MPa和225 MPa，將低于100 MPa的低屈服點鋼又稱為極低屈服點鋼。新日鐵早在1989年有文獻[1]報道其研制出屈服強度低于100 MPa的極低屈服點鋼。到1998年已經(jīng)用屈服強度分別為100 MPa和225 MPa的鋼板做成三種類型的抗震阻尼器應用于高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設計[2]。日本的Kiyoshi TANAKA等[3]對極低屈服點鋼剪切板耗能器進行了滯回性能試驗，結(jié)果表明，極低屈服點鋼板耗能器的滯回曲線形狀飽滿，性能穩(wěn)定，具有較強的耗能能力。由于低屈服點鋼材，特別是極低屈服點鋼不易獲得，且價格高，之前主要靠進口，我國使用低屈服點鋼制作的抗震構(gòu)件應用案例還不多。自2005年，我國寶鋼和鞍鋼對建筑抗震用低屈服點鋼材進行了研發(fā)，現(xiàn)已成功開發(fā)出屈服強度100 MPa、160 MPa和225 MPa三種級別的低屈服點鋼。采用寶鋼160 MPa級抗震用低屈服點鋼板制作的屈曲約束支撐構(gòu)件經(jīng)實物檢測表明具有良好的抗震耗能性能，已經(jīng)用于上海世博會主題館，這是國產(chǎn)低屈服點鋼耗能構(gòu)件在工程中的首次應用[4]。

針對不同類型的建筑物采用可行的減震裝置進行有效的地震反應控制研究，已受到國內(nèi)外學術(shù)界和工程界的關(guān)注，并開展了廣泛的研究工作[5-6]。密肋壁板結(jié)構(gòu)是一種輕質(zhì)、節(jié)能的新型復合結(jié)構(gòu)體系[7-10]。密肋壁板結(jié)構(gòu)由預制的密肋復合墻板、現(xiàn)澆的隱形框架和樓板組合而成。密肋復合墻板則是由截面及配筋較小的鋼筋混凝土肋梁和肋柱構(gòu)成框格，內(nèi)嵌加氣混凝土砌塊或其它具有一定強度的輕質(zhì)骨料砌塊預制而成的板式構(gòu)件，是密肋壁板結(jié)構(gòu)的主要承力構(gòu)件之一。本文根據(jù)密肋壁板結(jié)構(gòu)體系的基本構(gòu)造特點，結(jié)合極低屈服點鋼材的特性，將結(jié)構(gòu)中密肋復合墻板內(nèi)的填充砌塊置換成低屈服點鋼板，從而提出了一種低屈服點鋼密肋復合墻板[11]，內(nèi)嵌低屈服點鋼板通過魚尾板(連接鋼板)與周邊框格梁柱構(gòu)件連接。利用鋼板耗散地震能量，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的耗能減震控制。建立了密肋壁板結(jié)構(gòu)耗能減震控制體系的非線性地震反應分析模型，通過算例對耗能減震控制體系進行了地震響應分析，探討了極低屈服點鋼的耗能減震效果，從而為密肋壁板結(jié)構(gòu)提供一種適合這種結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點的簡單有效的耗能減震措施。

1 計算模型

圖1 結(jié)構(gòu)的標準層平面圖

2 結(jié)構(gòu)動力分析方程

采用美國紐約州立大學開發(fā)的有限元分析軟件IDARC7.0[13]對密肋壁板結(jié)構(gòu)體系進行非線性地震反應分析。

非線性動力分析使用紐馬克-β(Newmark-β)數(shù)值積分法和擬力法相結(jié)合的方法。其動力方程寫成增量的形式：

(1)

建立密肋壁板結(jié)構(gòu)耗能減震體系的計算模型，結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土隱形框架的梁和柱以及墻板的肋梁和肋柱采用程序中的梁、柱單元模擬，鋼筋混凝土構(gòu)件的恢復力模型采用可考慮剛度退化、強度衰減及捏縮效應的退化三線性模型。密肋復合墻體中的輕質(zhì)填充砌塊和內(nèi)嵌鋼板采用程序中的填充板單元模擬，其恢復力模型采用光滑滯回模型。地震波選取El-Centro(1940)、Taft(1952)和San Fernando((1971))地震動加速度記錄，其參數(shù)見表1。輸入的地震動加速度峰值為《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2010)[14]中設防烈度8度的罕遇(0.4g)地震加速度峰值，計算持時t=25s，時間間隔Δt=0.002 s。

圖2 結(jié)構(gòu)的立面圖

圖3 結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的最大水平位移反應沿著樓層的分布

表1 輸入地震動參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)減震控制分析

圖3為原型結(jié)構(gòu)(無控)和控制結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的最大水平位移反應沿樓層的分布；圖4為原型結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的最大層間位移角反應沿著樓層的分布；圖5～圖7分別為三種地震波作用下結(jié)構(gòu)頂層的水平位移響應時程曲線和第三層的層間位移響應時程曲線；圖8為編號為73(位置見圖2(b))的內(nèi)嵌鋼板的滯回曲線。

圖4 結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的最大層間位移角反應沿著樓層的分布

圖5 El-Centro波作用下的頂層水平位移和第三層層間位移響應時程曲線

圖8 極低屈服點鋼板的滯回曲線

對結(jié)構(gòu)橫向地震反應的計算結(jié)果分析，可以得到以下主要結(jié)論：

(1)從圖3可以看出，在El-Centro(1940)、Taft(1952)和San Fernando((1971))三種地震波0.4 g作用下，三種控制結(jié)構(gòu)頂點的最大水平位移反應較無控的原型結(jié)構(gòu)頂點的最大水平位移反應都有不同程度的減少。特別是結(jié)構(gòu)模型2，即低屈服點鋼RC密肋復合墻板沿全高設置，減震效果最為顯著，其結(jié)構(gòu)頂點的最大水平位移反應在三種地震波作用下的減震率可達到50～60%左右。

(2)圖4表明，對控制結(jié)構(gòu)模型2，即低屈服點鋼RC密肋復合墻板沿全高設置的情況，低屈服點鋼對結(jié)構(gòu)的最大層間位移角沿著樓層高度均有明顯的減震效果，在三種地震波作用下最大層間位移角的減震率可達到20～50%左右。而對于控制結(jié)構(gòu)模型3，即低屈服點鋼RC密肋復合墻板僅布置在1～8層的情況，對下部結(jié)構(gòu)的最大層間位移角有明顯的減震作用，但卻增大了結(jié)構(gòu)上部的最大層間位移角反應。對于控制結(jié)構(gòu)模型4，即低屈服點鋼RC密肋復合墻板僅布置在9～15層的情況，對上部結(jié)構(gòu)的最大層間位移角反應有明顯的減震作用，但對結(jié)構(gòu)下部的最大層間位移角反應有一定增大。所以，從實際設計控制結(jié)構(gòu)的最大層間位移角的目標而言，建議低屈服點鋼RC密肋復合墻板的布置宜沿著結(jié)構(gòu)的全高設置或布置在結(jié)構(gòu)的下部。

(3)從圖5(a)、圖6(a)、圖7(a)結(jié)構(gòu)頂層的水平位移響應時程曲線可以看出，三種地震波作用下三種控制結(jié)構(gòu)頂點的水平位移反應都較無控結(jié)構(gòu)有不同程度的減少，特別是結(jié)構(gòu)模型2，即低屈服點鋼RC密肋復合墻板沿全高設置，低屈服點鋼具有顯著的減震效果。圖5(b)、圖6(b)、圖7(b) 三種地震波作用下無控和控制結(jié)構(gòu)第三層的層間位移響應時程曲線表明，模型2和模型3的最大層間位移時程響應比無控結(jié)構(gòu)的最大層間位移時程響應有較大的減小，而模型4則有一定的增大。所以，從控制結(jié)構(gòu)的最大層間位移角的角度，低屈服點鋼RC密肋復合墻板不宜僅布置在結(jié)構(gòu)的上部。

(4)圖8給出了控制結(jié)構(gòu)在El-Centro波、Taft波和San Fernando波(0.4 g)作用下，編號為73號(見圖2(b))的內(nèi)嵌鋼板的滯回曲線。從圖中可以看出，鋼板的滯回曲線形狀均較為飽滿、光滑，說明低屈服點鋼板在結(jié)構(gòu)中能充分發(fā)揮其高耗能性能，從而可利用鋼板耗散地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應，減輕結(jié)構(gòu)的地震破壞，以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4 結(jié) 論

根據(jù)密肋壁板結(jié)構(gòu)體系的基本構(gòu)造特點，引入耗能減震技術(shù)，結(jié)合極低屈服點鋼材的特性，將結(jié)構(gòu)中部分密肋復合墻板內(nèi)的填充砌塊置換成極低屈服點鋼板，利用鋼板耗散地震能量，實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)的減震控制。計算分析表明，極低屈服點鋼板在大震作用下具有明顯的減震效果；低屈服點鋼RC密肋復合墻板宜沿著結(jié)構(gòu)的全高設置或布置在結(jié)構(gòu)的下部。這種由輕質(zhì)填充砌塊密肋復合墻體和低屈服點鋼RC密肋復合墻體組成的減震控制結(jié)構(gòu)體系，由于其大部分構(gòu)件仍為輕質(zhì)填充砌塊密肋復合墻體，因此保持了密肋壁板結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)、節(jié)能等諸多長處，同時由于適當?shù)卦O置了一定數(shù)量的低屈服點鋼RC密肋復合墻板，使得主體結(jié)構(gòu)的地震反應減輕，結(jié)構(gòu)的整體抗震能力提高，從而為密肋壁板結(jié)構(gòu)提供一種適合這種結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點的簡單有效的耗能減震措施。此外，低屈服點鋼密肋復合墻板由多個小框格和分散布置的多塊鋼板組成，內(nèi)嵌鋼板尺寸較小，采用薄板，其受力性能就類似于厚板，可避免鋼板屈曲，而無須再設加勁肋，可節(jié)省鋼材，自重輕、造價低，具有重要的工程實際應用價值。

參 考 文 獻

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