談工程結(jié)構(gòu)減震控制分析與應(yīng)用

王 賓

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

談工程結(jié)構(gòu)減震控制分析與應(yīng)用

王 賓

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

對(duì)主體結(jié)構(gòu)采用消能減震技術(shù)前后分別進(jìn)行建模計(jì)算，并采用彈塑性時(shí)程分析，得出了結(jié)構(gòu)在多遇、設(shè)防和罕遇地震作用下的層間位移、層間地震剪力，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以看出減震控制裝置在工程中應(yīng)用的可行性。

消能減震，屈曲約束支撐，位移，地震剪力

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高，越來(lái)越多造型各異的建筑物出現(xiàn)在全國(guó)各地。這類(lèi)建筑物通常體型不規(guī)則，空間高度和跨度比較大，對(duì)建筑的抗震性能有較高要求。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法是通過(guò)加大梁、柱截面，減少梁、柱間距等措施來(lái)達(dá)到增加結(jié)構(gòu)整體剛度，降低地震對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞的目的。然而這些措施又往往與建筑的使用要求相矛盾，并且存在材料上的大量浪費(fèi)。現(xiàn)代結(jié)構(gòu)概念引進(jìn)了消能減震技術(shù)，在工程結(jié)構(gòu)中安裝減震控制裝置，由控制裝置與結(jié)構(gòu)構(gòu)件共同承擔(dān)地震等外部荷載作用，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)和減輕結(jié)構(gòu)在地震等作用下的動(dòng)力響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的目的。下面筆者結(jié)合實(shí)際工程對(duì)減震控制裝置的應(yīng)用做一個(gè)簡(jiǎn)單的分析和介紹。

1 工程概況

本工程位于河南省鶴壁市，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度：0.20g，設(shè)計(jì)地震分組：第二組，場(chǎng)地土類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)。結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，總高度38.300 m。圖1為該項(xiàng)目的三維圖。

原結(jié)構(gòu)部分樓層層間位移角不滿(mǎn)足規(guī)范1/550的限值要求，由于建筑使用功能的要求，無(wú)法加大構(gòu)件截面和增設(shè)剪力墻，為保證結(jié)構(gòu)在8度地震作用下仍具有良好的抗震性能，擬在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用消能減震技術(shù)，使結(jié)構(gòu)在多遇和罕遇地震作用下能滿(mǎn)足GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的限值要求，提高整體結(jié)構(gòu)的抗震安全性能。

消能減震技術(shù)主要是通過(guò)在結(jié)構(gòu)的某些部位(節(jié)點(diǎn)、聯(lián)結(jié)縫、層間空間等)增設(shè)減震裝置，或把結(jié)構(gòu)中某些非承重構(gòu)件(連接件、剪力墻、支撐等)設(shè)計(jì)成耗能構(gòu)件，為結(jié)構(gòu)提供一定的附加剛度或附加阻尼。在地震作用下，這些耗能部件率先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，大量耗散輸入結(jié)構(gòu)的能量，減輕主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)的可能，從而更好地保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的安全。

本工程中采用的消能減震裝置為屈曲約束支撐。屈曲約束支撐是位移型消能器，能有效提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，且能增加大震下結(jié)構(gòu)的耗能能力。在小震作用下處于彈性狀態(tài)，不能夠消能減震，但它給結(jié)構(gòu)增加了一定的側(cè)向剛度，減小了結(jié)構(gòu)小震位移，這點(diǎn)類(lèi)似普通鋼支撐；中大震下，屈曲約束支撐發(fā)生屈服(但不發(fā)生屈曲失穩(wěn))，起到消能減震作用。

2 輸入地震動(dòng)評(píng)價(jià)

2.1 地震動(dòng)輸入?yún)?shù)選取

1)地震波的數(shù)量。按GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求不少于7條地震波，本工程設(shè)計(jì)擬采用7條地震波。其中，人工合成加速度時(shí)程曲線(xiàn)2條(RH1波、RH2波)，天然地震記錄地震波5條(ELC波、TAF波、TH2波、TH3波、TH4波)。

2)地震波的選用要求。a.地震波特性應(yīng)接近Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，場(chǎng)地卓越周期Tg=0.40 s。b.平均反應(yīng)譜曲線(xiàn)與規(guī)范的反應(yīng)譜曲線(xiàn)在統(tǒng)計(jì)意義上相符。在對(duì)應(yīng)周期點(diǎn)上與規(guī)范反應(yīng)譜曲線(xiàn)平均相差不大于20%。

3)地震波的加速度峰值。設(shè)防烈度：8度(0.20g)；多遇地震：70 cm/s2；設(shè)防地震：200 cm/s2；罕遇地震：400 cm/s2。

2.2 輸入地震動(dòng)評(píng)價(jià)

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，彈性時(shí)程分析時(shí)每條時(shí)程曲線(xiàn)計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均超過(guò)振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線(xiàn)計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值均大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。從結(jié)構(gòu)時(shí)程分析結(jié)果可以看出，本工程所采用的5條天然地震動(dòng)和2條人工地震動(dòng)，每條地震動(dòng)時(shí)程曲線(xiàn)計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，均不大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的135%；7條地震動(dòng)時(shí)程曲線(xiàn)計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，均不大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的120%。時(shí)程分析所采用的地震動(dòng)滿(mǎn)足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

X向，Y向非減震結(jié)構(gòu)時(shí)程和反應(yīng)譜層間地震剪力對(duì)比見(jiàn)表1，表2。

表1 X向非減震結(jié)構(gòu)時(shí)程和反應(yīng)譜層間地震剪力對(duì)比 kN

表2 Y向非減震結(jié)構(gòu)時(shí)程和反應(yīng)譜層間地震剪力對(duì)比 kN

3 結(jié)構(gòu)減震計(jì)算與分析

3.1 減震控制裝置的布置和選型

經(jīng)計(jì)算，共選用32根屈曲約束支撐，其中，X方向布置16根，Y方向布置16根，屈曲約束支撐設(shè)置在第4層～第6層的梁柱中，屈曲約束支撐的具體安裝位置考慮以不影響建筑使用空間為原則，具體安裝位置如圖2所示(橢圓標(biāo)記)。第4層采用雙斜撐的布置方式，5層，6層采用單斜撐布置方式。屈曲約束支撐設(shè)計(jì)參數(shù)與數(shù)量見(jiàn)表3。

表3 屈曲約束支撐設(shè)計(jì)參數(shù)與數(shù)量

3.2 結(jié)構(gòu)水平剪力計(jì)算

由表4，表5結(jié)構(gòu)X向、Y向?qū)娱g剪力計(jì)算對(duì)比結(jié)果可以看出，在多遇地震作用下，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)層剪力有一定幅度衰減，X方向最大減震效果達(dá)32.49%，Y方向最大減震效果達(dá)34.23%；在設(shè)防地震作用下，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)層剪力亦有一定幅度衰減，X方向最大減震效果達(dá)40.10%，Y方向最大減震效果達(dá)39.92%。可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)中增設(shè)屈曲約束支撐后，使結(jié)構(gòu)層剪力減小，有效提高了結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震性能。

表4 多遇地震下模型X向?qū)娱g剪力對(duì)比

表5 多遇地震下模型Y向?qū)娱g剪力對(duì)比

3.3 結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算

由表6，表7減震后結(jié)構(gòu)X向、Y向?qū)娱g位移角倒數(shù)的計(jì)算值可以看出，在多遇地震作用下，非減震結(jié)構(gòu)部分樓層彈性層間位移角不滿(mǎn)足規(guī)范的要求，在結(jié)構(gòu)中設(shè)置屈曲約束支撐以后，減震結(jié)構(gòu)中X向?qū)娱g位移角減小，滿(mǎn)足規(guī)范1/550的限值要求，最大減震效果達(dá)72.28%，Y向?qū)娱g位移角亦有所減小，最大減震效果達(dá)到73.58%；在設(shè)防地震作用下，減震結(jié)構(gòu)中X向?qū)娱g位移角減小，最大減震效果達(dá)到74.49%，Y向?qū)娱g位移角亦有所減小，最大減震效果達(dá)到75.10%；在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角限值均能夠滿(mǎn)足規(guī)范1/50的限值要求，減震結(jié)構(gòu)中X向?qū)娱g位移角減小，最大減震效果達(dá)到76.05%，Y向?qū)娱g位移角亦有較大幅度地減小，最大減震效果達(dá)到77.29%。可見(jiàn)，在結(jié)構(gòu)中增設(shè)屈曲約束支撐，能有效地減小結(jié)構(gòu)的層間位移角，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

表6 多遇地震下X向?qū)娱g位移角倒數(shù)(1/θ)

表7 多遇地震下Y向?qū)娱g位移角倒數(shù)(1/θ)

3.4 屈曲約束支撐耗能性能

圖3顯示了結(jié)構(gòu)在地震波TH3作用下部分屈曲約束支撐的滯回曲線(xiàn)。由圖3a)和圖3b)可知，在多遇地震作用下，屈曲約束支撐基本不耗能，在結(jié)構(gòu)中僅起鋼支撐的作用；由圖3c),圖3d)可知，在設(shè)防地震作用下，屈曲約束支撐的滯回曲線(xiàn)比較飽滿(mǎn)，已經(jīng)逐步進(jìn)入耗能狀態(tài)；由圖3e),圖3f)可知，在罕遇地震作用下，其滯回曲線(xiàn)十分飽滿(mǎn)，說(shuō)明屈曲約束支撐在罕遇地震下具有優(yōu)越的耗能能力，衰減地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的抗震安全儲(chǔ)備。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)該工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇、設(shè)防和罕遇地震作用下的減震控制動(dòng)力時(shí)程分析，可以看到在結(jié)構(gòu)中設(shè)置屈曲約束支撐，能有效降低其在多遇、設(shè)防和罕遇地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，在結(jié)構(gòu)層剪力和層間位移角方面較原結(jié)構(gòu)都有較大降幅，大大提高結(jié)構(gòu)的抗震性能與抗震安全儲(chǔ)備。

2)消能減震裝置由于具有概念簡(jiǎn)明、減震機(jī)理明確、減震效果明顯、構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝和維護(hù)方便、對(duì)結(jié)構(gòu)的建筑功能和日常使用功能影響較小、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)抗震控制中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震體系相比較，結(jié)構(gòu)消能減震體系有如下的優(yōu)越性：a.傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震體系是把結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件(梁、柱、節(jié)點(diǎn))作為耗能構(gòu)件，地震中受損壞的是這些承重構(gòu)件，甚至導(dǎo)致房屋倒塌。而消能減震體系則是以非承重構(gòu)件作為耗能構(gòu)件或另設(shè)消能器，它們的損壞就是保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，所以是安全可靠的。b.震后易于修復(fù)或更換，使建筑結(jié)構(gòu)物迅速恢復(fù)使用。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 嚴(yán) 紅，潘 鵬，王元清.一字形全鋼防屈曲支撐耗能性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012，33(11)：142-149.

[3] 汪家銘，中島正愛(ài)，陸 燁.屈曲約束支撐體系的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2005，7(1)：1-16.

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[5] 唐家祥.建筑隔震與消能減震設(shè)計(jì)[J].建筑科學(xué)，2002(1)：21-27，44.

Discussion on seismic dissipation control analysis and application of engineering structure

Wang Bin

(ShanxiAcademyofBuildingDesign,Taiyuan030013,China)

The paper carries out modeling calculation of major structure by applying seismic dissipation technology beforeward and afterward, finds out hierarchical displacement and hierarchical seismic shearing under various seismic, preventive seismic and rare seismic by using elastic time-history analysis, compares data, and finally proves the feasibility of applying energy dissipation device in engineering.

energy dissipation, Buckling-Restrained Brace(BRB), displacement, seismic shearing forces

2014-12-16

王 賓(1975- )，男，工程師

1009-6825(2015)06-0042-03

TU352

A