某鋼框架結(jié)構(gòu)的彈塑性減震方案分析

黃初濤+王惠民+劉時宜+肖啟仁+趙帥+姚激+張慶

摘要：防屈曲約束支撐（BRB）性能穩(wěn)定，滯回耗能好，受外界環(huán)境影響小，更換方便，價格便宜，是目前一種常用的減震阻尼器。本文以某鋼框架結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計為例，研究比較了設(shè)置防屈曲約束支撐后，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。研究結(jié)果表明：屈曲約束支撐提高了小震時主體結(jié)構(gòu)的剛度，增大了罕遇地震時的耗能，具有較好的抗震耗能機制，有效提高了主體結(jié)構(gòu)的安全性。

Abstract： The BRB has stable performance and good hysteresis energy consumption， the external environmental has few impact on it， it is easy to replace and it is cheap， so it is a kind of commonly used damper. In this paper， the seismic design of a steel frame structure is studied， and the seismic response of the structure after the BRB is set. The results show that the BRB improves the stiffness of the main structure in the small earthquake， increases the energy consumption in the rare earthquakes， and it has good anti-seismic energy dissipation mechanism and is effectively improves the safety of the main structure.

關(guān)鍵詞：鋼框架結(jié)構(gòu)；防屈曲約束支撐；時程分析；罕遇地震

Key words： steel frame structure；BRB；time-procedure analysis；rare earthquakes

中圖分類號：TU313 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）01-0099-04

0 引言

普通鋼支撐對提高結(jié)構(gòu)的剛度和承載力效果明顯，且對建筑的布局的影響也較小，但是普通鋼支撐容易產(chǎn)生受壓失穩(wěn)現(xiàn)象。為了克服普通鋼支撐的缺陷，研究人員提出了防屈曲約束支撐。防屈曲約束支撐由芯材、外套筒以及套筒內(nèi)無粘結(jié)材料三部分組成。由于芯材和無粘結(jié)材料之間設(shè)有一層無粘結(jié)材料或非常狹小的空氣層，因此芯材拉壓變形不受約束，但是受壓失穩(wěn)卻被限制。防屈曲約束支撐拉壓具有相同的承載力，從而提高其耗能能力。防屈曲約束支撐已在國內(nèi)外眾多工程得到應(yīng)用[1-4]。地震作用下，防屈曲約束支撐要求如下：在小震作用下，防屈曲約束支撐保持彈性，為結(jié)構(gòu)提供附加側(cè)移剛度；大震作用下，防屈曲約束支撐能早于主體結(jié)構(gòu)屈服，利用金屬屈服后的塑性變形和滯回耗能來耗散其能量，從而減輕主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

1 防屈曲約束支撐的布置原則

防屈曲約束支撐的布置首先應(yīng)滿足建筑布置的要求，不影響建筑的使用功能，同時要“均勻、分散、對稱”的布置于結(jié)構(gòu)不同位置[5]。一般情況下布置在結(jié)構(gòu)層位移較大或產(chǎn)生較大支撐內(nèi)力的的樓層，且支撐布置宜沿結(jié)構(gòu)兩個主軸方向分別布置。

2 工程應(yīng)用研究

鋼框架結(jié)構(gòu)因其空間布置靈活，傳力體系明確，承載能力高，建造速度快，廣泛應(yīng)用于日常的生產(chǎn)生活中，同時，鋼框架結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)一樣，也存在抗側(cè)剛度小，結(jié)構(gòu)高度受限，屬柔性結(jié)構(gòu)框架，在罕遇地震作用下，其位移過大，很有可能因其位移過大而導致結(jié)構(gòu)的倒塌。故引入防屈曲約束支撐，既可以為框架結(jié)構(gòu)提供附加側(cè)移剛度，也可以在大震中為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼比，增大其耗能從而減小其地震反應(yīng)。

2.1工程概況

某衛(wèi)生院采用鋼框架結(jié)構(gòu)，建筑總面積為3713m2，地上5層，其抗震設(shè)防烈度為8度，地震加速度峰值為0.3g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類場地?？拐鸬燃墳橐患墸Y(jié)構(gòu)安全等級為一級，建筑使用年限為50年。其抗震設(shè)防類別為乙類，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）[6]可知，采用時程分析時，小震下時程地震波加速度最大值取110cm/s2，大震下時程地震波加速度峰值取510cm/s2。

為使主體結(jié)構(gòu)達到“在多遇地震作用下保持彈性，且非結(jié)構(gòu)構(gòu)件無明顯損壞；在罕遇地震作用下，阻尼器正常發(fā)揮作用”這一設(shè)防目標，擬采用在主體結(jié)構(gòu)上布置屈曲約束支撐，在小震時為結(jié)構(gòu)提供附加剛度，在罕遇地震時先于主體結(jié)構(gòu)屈服，利用其良好的滯回性能耗能充分耗散地震能量，從而減小主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。從而解決了傳統(tǒng)通過加大截面提高剛度的方法無法抵御罕遇地震的現(xiàn)狀。

2.2 屈曲約束支撐的布置

本工程減震設(shè)計中，在主體結(jié)構(gòu)上布置了40個屈曲約束支撐，X方向和Y方向各20個，其性能規(guī)格如表1。

防屈曲約束支撐布置于1到5層，其第一層平面布置圖如圖1所示。其他各層布置位置與第一層相同。

2.3 有限元模型的建立

依據(jù)建筑的要求，首先在PKPM中建模進行初步計算，確認結(jié)構(gòu)方案合理后，再導入ETABS進行彈性時程分析，導入SAP2000進行彈塑性時程分析，在軟件中使用連接單元模擬防屈曲約束支撐。有限元模型如圖2所示。

不同軟件導模型不可避免產(chǎn)生誤差。因此有必要對PKPM建立的模型與有限元模型進行一致性檢查，確保二者模型的誤差在允許的范圍內(nèi)。通過研究，一般認為：當模型的質(zhì)量、周期以及地震作用下結(jié)構(gòu)各層層剪力基本相同的時候，模型基本相同。不加防屈曲約束支撐的非減震模型為準。非減震模型的PKPM模型與有限元模型的質(zhì)量、周期以及各層層剪力對比如表2、表3以及表4所示?？梢钥闯?，PKPM模型與有限元模型的質(zhì)量、周期以及各層層剪力誤差均小于4%，這表明兩個模型基本相同。endprint

2.4 地震波的選取

按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）[6]要求，項目選取了2條實際強震記錄和1條人工模擬加速度時程曲線，進行減震結(jié)構(gòu)的時程分析。三條地震波的波形如圖3所示。其中：18號波—2002年Denali， Alaska地震Eagle River - AK Geologic Mat臺站記錄，50號波—1999年臺灣CHICHI地震CHY082臺站記錄，R4為人工波。

由于不同的地震波輸入，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)會有很大的差異。因此需要對選取用于計算的地震波的合理性進行檢驗。對于地震波的合理性進行檢驗主要有兩個方面：①結(jié)構(gòu)主要振型的周期點由時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜所用的地震影響系數(shù)，相差小于等于20%；②時程分析得到的結(jié)構(gòu)主方向的平均底部剪力與振型分解反應(yīng)譜計算結(jié)果滿足規(guī)范[6]要求。

選用的一條人工波和兩條天然地震波的加速度時程歸一化系數(shù)曲線見圖4。輸入加速度時程，對結(jié)構(gòu)進行彈性時程分析，結(jié)果取包絡(luò)值。時程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜影響系數(shù)對比如表5所示，彈性時程分析結(jié)構(gòu)的底部剪力結(jié)果與反應(yīng)譜分析結(jié)構(gòu)的底部剪力結(jié)果對比如表6所示。

由表5可知，結(jié)構(gòu)主要振型的周期點由時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜所用的地震影響系數(shù)，最大差值為2.92%，相差小于等于20%[6]。從表6可以看出，單條地震波輸入得到結(jié)構(gòu)底部剪力與反應(yīng)譜計算得到的結(jié)構(gòu)底部剪力之比最小為89%，最大為111%，三條地震波輸入得到結(jié)構(gòu)底部剪力平均值與反應(yīng)譜計算得到的結(jié)構(gòu)底部剪力之比最小為100%，最大為107%。從表5與表6可以看出，計算選取的三條地震波滿足規(guī)范[6]要求。

2.5 小震時程分析

按照預(yù)先假定，主體結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，防屈曲約束支撐在小震時同樣處于彈性狀態(tài)，只為結(jié)構(gòu)提供附加側(cè)移剛度，彈性時程分析采用軟件所提供的快速非線性分析（FNA）方法，即只考慮防屈曲約束支撐的剛度，結(jié)構(gòu)本身假定為線性。

2.5.1 層間位移角計算結(jié)果

小震作用下，輸入三條地震波，得到減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的最大層間位移角見表7。從表7可以看出，設(shè)置屈曲約束支撐的減震結(jié)構(gòu)層間位移角要小于不設(shè)置防屈曲約束支撐的非減震結(jié)構(gòu)層間位移角。這表明防屈曲約束支撐提高了小震時主體結(jié)構(gòu)的剛度。另外從表7可以看出，小震作用下，減震結(jié)構(gòu)的層間位移角均小于1/250，滿足規(guī)范[6]要求。

2.5.2 小震B(yǎng)RB不屈服驗算

限于篇幅，表8僅僅給出了部分防屈曲約束支撐在三條地震波作用下是否屈服的驗算。從表8可以看出，小震作用下，防屈曲約束支撐最大出力均小于屈服承載力，這表明小震作用下，防屈曲約束支撐處于彈性狀態(tài)。防屈曲約束支撐保持彈性狀態(tài)，這是其為結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度的有力保障。

2.6 罕遇地震時程分析

在罕遇地震時程分析過程中，防屈曲約束支撐采用連接單元Plastic-Wen模擬；主體結(jié)構(gòu)框架梁、柱均定義塑性鉸，分析過程考慮材料非線性，采用小變形假定，不考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性。對于運動微分方程的求解，選擇程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步積分法，β值取0.25，γ取0.5，Alpha系數(shù)為0。其中消能子結(jié)構(gòu)的梁柱不設(shè)置塑性鉸，提取其大震內(nèi)力結(jié)果進行配筋驗算。

2.6.1 層間位移角計算結(jié)果

為了分析結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，對結(jié)構(gòu)進行罕遇地震下的彈塑性動力時程分析。三條波均分析前30s，得出結(jié)構(gòu)地震作用響應(yīng)結(jié)果，如位移、塑性鉸分布等，因篇幅所限，僅提供以下三條地震波分析的層間位移鉸的結(jié)果。

由表9可知，附加了屈曲約束支撐之后，其層間位移角有明顯的減小，層間位移角均小于1/50，滿足規(guī)范[6]要求，達到了規(guī)范的“大震不倒”的抗震設(shè)計要求。

2.6.2 結(jié)構(gòu)的出鉸情況

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010），為了保證“大震不倒”，結(jié)構(gòu)在地震作用下必須具有合理的耗能機制，允許結(jié)構(gòu)在大震作用下非子結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件進入塑性，結(jié)構(gòu)耗能與結(jié)構(gòu)出鉸情況及出鉸順序有關(guān)。因篇幅所限，本文僅列舉了18號波在地震作用下的X方向的出鉸順序，來說明結(jié)構(gòu)在彈塑性分析過程中的變化情況。

圖5給出了結(jié)構(gòu)在18號波X向單向輸入時結(jié)構(gòu)構(gòu)件出鉸情況。從圖5可以看出，結(jié)構(gòu)僅在非子結(jié)構(gòu)的梁上出現(xiàn)塑性鉸。

2.6.3 防屈曲約束支撐的分析結(jié)果

本減震結(jié)構(gòu)共設(shè)置防屈曲約束支撐40個，其大震下位移與出力如下。因篇幅所限，只列出部分防屈曲約束支撐的位移與出力情況，見表10。從表10可以看出，大震作用下，屈曲約束支撐均已經(jīng)屈服，表明在大震作用下，屈曲約束支撐發(fā)揮了良好的耗能作用，這將減少地震對主體結(jié)構(gòu)的影響。

2.7 阻尼器周邊構(gòu)件罕遇地震承載力驗算

與防屈曲約束支撐相連接的鋼框架梁均設(shè)置M3鉸，與防屈曲約束支撐相連接的鋼框架柱均設(shè)置P-M2-M3鉸，以考察各消能子框架在大震作用下的性能水平是否能達到既定的性能目標，以R4號波X向及Y向為例說明，圖6分別為各消能子框架在R4號波最后一步的出鉸情況，從圖中可以看出，在大震作用下與防屈曲約束支撐相連接的框架梁柱均處于不屈服狀態(tài)，其他兩條地震波作用下，各消能子框架也同樣保持不屈服狀態(tài)，表明其能實現(xiàn)大震不屈的性能目標。

3 結(jié)論

本文采用三條地震波，對附設(shè)防屈曲約束支撐的某鋼框架結(jié)構(gòu)衛(wèi)生院進行了彈塑性時程分析，得到如下結(jié)論：

①附加防屈曲約束支撐之后，無論是在小震作用下，還是大震作用下，減震結(jié)構(gòu)的層間位移角均滿足規(guī)范要求。屈曲約束支撐為結(jié)構(gòu)提供了較大的安全容余。

②小震作用下，防屈曲耗能支撐保持彈性，提高了主體結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度；大震作用下，各個防屈曲耗能支撐（BRB）進入塑性，發(fā)揮了良好的耗能能力。結(jié)構(gòu)在附設(shè)了防屈曲耗能支撐（BRB）后，具有了良好的抗震耗能機制，提高了結(jié)構(gòu)主體的安全性，使結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的要求。

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