雙塔連體結(jié)構(gòu)設(shè)置防屈曲耗能支撐的彈塑性分析

宋巨峰，陳道政

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥　230009)

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雙塔連體結(jié)構(gòu)設(shè)置防屈曲耗能支撐的彈塑性分析

宋巨峰，陳道政

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

摘要：為了研究雙塔連體結(jié)構(gòu)設(shè)置防屈曲耗能支撐的抗震性能，文章以某棟20層雙塔連體結(jié)構(gòu)為例，利用有限元軟件SAP2000分別對原結(jié)構(gòu)及設(shè)置防屈曲耗能支撐后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性對比分析。結(jié)果可知，在彈性階段，防屈曲耗能支撐能夠提供有效的側(cè)向剛度，減少結(jié)構(gòu)的自振周期，控制層間位移；在塑性階段，防屈曲耗能支撐能夠發(fā)揮耗能減震的性能，成為結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線。

關(guān)鍵詞：雙塔連體結(jié)構(gòu)；防屈曲耗能支撐；Pushover；塑性鉸

雙塔連體結(jié)構(gòu)體系[1]的特點(diǎn)是2個(gè)塔樓之間由于連體而形成較強(qiáng)的空間耦聯(lián)作用,其分析模型、計(jì)算方法、受力性能、動力特性及破壞形式等比一般的單塔高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多,因而此類結(jié)構(gòu)的抗震性能成為設(shè)計(jì)中的一大難題[2]。隨著防屈曲耗能支撐抗震加固方法的廣泛應(yīng)用,在強(qiáng)風(fēng)荷載及多遇地震情況時(shí)，可以有效提高建筑的側(cè)向剛度,降低建筑的水平位移;罕遇地震時(shí),通過自身屈服耗能有效保護(hù)主體結(jié)構(gòu)[3]。

防屈曲耗能支撐(BRB)具有為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度和提高結(jié)構(gòu)承載力的支撐構(gòu)件(圖1)，與一般支撐相比,防屈曲耗能支撐的滯回曲線更為飽滿,具有更好的耗能減震作用[4]。

圖1　防屈曲耗能支撐立面布置圖

1工程概況

某雙塔連體結(jié)構(gòu)的立面圖、剖面圖如圖2所示,結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系,左右兩塔樓均為20層,層高均為3.6 m,總高度為72 m,雙塔間距為12 m,雙塔在頂部4層通過連體相連?？拐鹪O(shè)防烈度為8度(0.30g),建筑場地類別為Ⅱ類場地,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,特征周期Tg為0.35 s,阻尼比為0.03。

圖2　立面圖和剖面圖

Z1為箱型截面,尺寸為450 mm×450 mm×25 mm;Z2為箱型截面,尺寸為450 mm×450 mm×35 mm;Z3為箱型截面,尺寸為450 mm×450 mm×50 mm; KL為工字型截面,尺寸為600 mm×250 mm×8 mm×12 mm; LL為工字型截面,尺寸為800 mm×250 mm×10 mm×18 mm。鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)均為Q345B鋼。樓板的厚度為120 mm,混凝土強(qiáng)度等級為C35。

2模型建立與分析

2.1結(jié)構(gòu)建模

用SAP2000對結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析[5]。選擇BRB支撐尺寸分別為305 mm×305 mm,芯板鋼材材質(zhì)為Q235,采用倒V字形布置[6]。為了研究不同方案對原結(jié)構(gòu)受力性能的影響,建立3個(gè)整體結(jié)構(gòu)模型。圖3(a)為原結(jié)構(gòu)模型,圖3(b)為只在連接體上加BRB支撐,圖3(c)為在主樓與連接體上均加BRB支撐。

圖3　結(jié)構(gòu)模型

2.2模態(tài)分析

模態(tài)分析結(jié)果見表1所列。由表1可見,模型2比模型1的自振周期有所減小,但減小幅度不大;模型3的自振周期減小幅度較大,尤其是第2振型,減小很多。說明布置BRB支撐能使結(jié)構(gòu)剛度變大,減小自振周期,同時(shí),沿防BRB支撐布置方向的剛度增加較大。因此,BRB支撐可以通過增加結(jié)構(gòu)剛度來增加結(jié)構(gòu)的抗震能力。

表1　結(jié)構(gòu)的自振周期　s

2.3反應(yīng)譜分析

振型組合采用CQC法,圖4所示為在反應(yīng)譜工況下各模型的層間位移角隨樓層的變化。

圖4　反應(yīng)譜工況下各模型的層間位移角

由圖4可見,模型1的最大層間位移角為1/178,超過規(guī)范規(guī)定的多高層鋼結(jié)構(gòu)彈性位移角限值1/250[7]。模型2的最大層間位移角為1/230,雖然也超過規(guī)范限值,但相對于模型1,層間位移有所減少。模型3的最大層間位移角為1/724,滿足規(guī)范要求。此外,模型1和2曲線較陡,存在明顯的薄弱層,而模型3的曲線比較平緩,沒有明顯的薄弱層,說明BRB支撐在地震作用下能夠有效控制結(jié)構(gòu)位移。

2.4Pushover分析

本工程框架梁采用系統(tǒng)默認(rèn)彎矩(M3)塑性鉸,框架柱采用系統(tǒng)默認(rèn)的軸力彎矩(PMM)塑性鉸[8]。BRB支撐采用用戶自定義的軸向塑性鉸,并根據(jù)各個(gè)BRB支撐受力性能的不同分別定義。側(cè)向荷載模式選擇重力荷載+X向加速度的均布分布作用。

以結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)作為監(jiān)控點(diǎn),對3個(gè)整體模型進(jìn)行Pushover分析后得到基底剪力-位移曲線,如圖5所示。由圖5可見,雖然模型2僅在連體處設(shè)置了BRB支撐,但與模型1相比,不論是彈性階段還是塑性階段,剛度都有所提高。模型3在彈性階段和塑性階段,曲線都有較大上升,說明剛度有較大提高,能更好滿足結(jié)構(gòu)抗震要求。

圖5　基底剪力-位移曲線

在相同的基準(zhǔn)下建立結(jié)構(gòu)能力譜曲線和需求譜曲線,2條曲線的交點(diǎn)即是結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn),由此點(diǎn)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)便可對模型1和模型3結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評估[9]。由此可得出各模型在罕遇地震作用下的性能點(diǎn),模型1的性能點(diǎn)為(0.101,0.392),對應(yīng)的頂點(diǎn)位移為493 mm,模型3的性能點(diǎn)為(0.274,0.145 0),對應(yīng)的頂點(diǎn)位移為200 mm。分別以493 mm和200 mm為模型1和模型3的目標(biāo)頂點(diǎn)位移,再次進(jìn)行Pushover分析,得出模型1和模型3性能點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)反應(yīng),其模型1和模型3性能點(diǎn)塑性鉸分布情況如圖6所示。

圖6　結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)塑性鉸分布

從圖6中可以看出,模型1在其性能點(diǎn)處已經(jīng)進(jìn)入了彈塑性狀態(tài),底層一些框架梁出現(xiàn)塑性鉸。而模型3中則沒有出現(xiàn)塑性鉸,整體上看結(jié)構(gòu)尚處于彈性階段,說明輸入能量被BRB支撐大量消耗,主體結(jié)構(gòu)反應(yīng)減小,使其抗震能力得到大幅提高。

2.5非線性時(shí)程分析

時(shí)程地震波選擇Elcentro波[10],其最大加速度峰值分別為341 cm/s2。

圖7所示為各模型在Elcentro波下彈塑性層間位移角隨樓層的變化,可看出3個(gè)模型的最大層間位移角均滿足規(guī)范規(guī)定的限值1/50,但模型2、3的層間位移沿高度的變化趨勢相對均勻,尤其是模型3,說明在結(jié)構(gòu)中設(shè)置BRB支撐對于結(jié)構(gòu)層間位移有較好的抑制作用,從而能更好地發(fā)揮其抗震作用。

選取底層BRB支撐進(jìn)行耗能效果分析,該BRB支撐尺寸為305 mm×305 mm,材質(zhì)為Q235,有效截面面積為7 435 mm2,由計(jì)算可得到支撐屈服承載力為1 747.225 kN,極限承載力為3 214.894 kN。

圖7　結(jié)構(gòu)在地震波下的彈塑性層間位移角

BRB支撐在多遇地震和罕遇地震作用下的軸力時(shí)程曲線,如圖8所示。在多遇地震作用下,支撐軸力最大為529.8 kN,未達(dá)到屈服極限,起到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度作用;在罕遇地震作用下,支撐最大軸力為644.2 kN,大于屈服極限,說明在罕遇地震作用下BRB支撐達(dá)到屈服點(diǎn),進(jìn)入塑性階段,起到了耗能減震作用。

圖8結(jié)構(gòu)在地震作用下支撐軸力時(shí)程曲線

3結(jié)論

(1) 在彈性階段,2種防屈曲耗能支撐方案不僅能增加結(jié)構(gòu)剛度,減少結(jié)構(gòu)自振周期,還能有效地控制結(jié)構(gòu)位移響應(yīng),使層間位移角滿足規(guī)范要求。

(2) 在塑性階段,設(shè)置防屈曲耗能支撐可以使原結(jié)構(gòu)的最大層間位移角顯著減小,說明防屈曲耗能支撐能通過消耗地震能量可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震能力。

(3) 方案3的耗能減震效果要高于方案2,但由于方案3在塔樓和連體處均設(shè)置了防屈曲耗能支撐,費(fèi)用較高。因此,對于在雙塔連體結(jié)構(gòu)中需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置防屈曲耗能支撐,綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)的使用要求、抗震要求以及費(fèi)用等多方面因素,選擇合適的方案。

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收稿日期：2016-03-21；修改日期：2016-03-25

作者簡介：宋巨峰(1991-)，男，安徽滁州人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生； 陳道政(1964-)，男，安徽合肥人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)教授．

中圖分類號：TU352

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0191-03