屈曲約束支撐在某宿舍樓減震效果的應(yīng)用研究

董蘇媛　陳亮

摘要：屈曲約束支撐是結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)中常用的元件，如何評(píng)價(jià)布置屈曲約束支撐后結(jié)構(gòu)減震效果，是結(jié)構(gòu)界關(guān)注的熱點(diǎn)。本文以曲靖地區(qū)某宿舍樓工程為例，研究設(shè)置防屈曲耗能支撐前后，結(jié)構(gòu)在小震下的地震響應(yīng)。通過對(duì)比剪力、側(cè)移的變化，研究了采用屈曲約束支撐的減震效果。研究結(jié)果為宿舍樓的減震效果給出了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：防屈曲耗能支撐；時(shí)程分析；小震分析；減震效果

0引言

屈曲約束支撐能承受拉、壓兩種狀態(tài)下往復(fù)作用，且不會(huì)出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象。因此常作為減震元件用于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。屈曲約束支撐的核心部分是約束芯材，通常采用低屈服點(diǎn)鋼材制成，具有軸向拉壓剛度，且具有良好的滯回耗能性能。在結(jié)構(gòu)中布置屈曲約束支撐時(shí)，既要考慮充分發(fā)揮其耗能性能，又要盡可能地減少對(duì)建筑的使用功能的影Ⅱ向。采用較多的屈曲約束支撐固然可以提高建筑的抗震性能，但是對(duì)建筑的影響也會(huì)很大。因此，有必要對(duì)布置屈曲約束支撐的減震效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定合理的屈曲約束支撐數(shù)量與布置位置。

本文以曲靖地區(qū)某宿舍樓工程為例，研究設(shè)置防屈曲耗能支撐前后，結(jié)構(gòu)在小震下的地震響應(yīng)。通過對(duì)比剪力、側(cè)移的變化，研究了采用屈曲約束支撐的減震效果，以便為宿舍樓的減震設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1工程應(yīng)用研究

1.1工程概況

曲靖地區(qū)某學(xué)生宿舍工程，建筑總面積為4447.7m2，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，Ⅲ類場地，場地特征周期0.45s，結(jié)構(gòu)的阻尼比0.05。結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，框架的抗震等級(jí)二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年。

1.2屈曲約束支撐布置

結(jié)合建筑圖，研究確定在每層4個(gè)位置布置屈曲約束支撐（人字撐），總共布置結(jié)構(gòu)下部的三層，總計(jì)采用24根屈曲約束支撐，屈曲約束支撐的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

屈曲約束支撐（BRB）平面布置如圖1所示。

1.3有限元模型的建立

依據(jù)建筑設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)首先利用盈建科（以下簡稱：YJK）軟件建立結(jié)構(gòu)分析模型，并對(duì)模型進(jìn)行了初步分析，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本滿足要求，然后再將模型導(dǎo)入SAP2000，布置屈曲約束支撐，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。SAP2000軟件建立的減震結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

由于結(jié)構(gòu)的配筋設(shè)計(jì)通常采用YJK，而減震結(jié)構(gòu)的計(jì)算又采用SAP2000等有限元分析軟件。因此有必要對(duì)YJK和SAP2000建立的同一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比分析，確保兩個(gè)軟件建立的模型一致。一般認(rèn)為，當(dāng)結(jié)構(gòu)模型計(jì)算得到的質(zhì)量、周期以及層間剪力差異不大，則認(rèn)為兩個(gè)軟件建立的模型相同。采用YJK與SAP2000分別對(duì)模型計(jì)算，得到的質(zhì)量、周期值以及層間剪力及其誤差檢驗(yàn)結(jié)果如表2、表3、表4所示。從表2可以看出，兩個(gè)軟件中結(jié)構(gòu)質(zhì)量差值為0.5%，從表3可以看出，兩個(gè)軟件中結(jié)構(gòu)前三階周期最大差值為0.57%，差值均很小。從表4可以看出，兩個(gè)軟件中結(jié)構(gòu)層間剪力，最大差值為9.58%，發(fā)生在第6層（頂層），其他樓層的層間剪力相差較小。因此，綜合表2、表3與表4可知，用于本工程減震分析計(jì)算的SAP2000模型與YJK模型，在結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期與各層剪力的差異不大，因此，兩模型基本一致。可以利用SAP2000建立的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的減震分析。

1.4地震波的選取

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）5.1.2條規(guī)定以及條文說明，工程選取了5條實(shí)際強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時(shí)程曲線，其中七條加速度時(shí)程曲線見圖3。在SAP2000軟件中輸入加速度時(shí)程曲線，對(duì)非減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析，結(jié)果取包絡(luò)值。彈性時(shí)程分析結(jié)果與反應(yīng)譜分析結(jié)果對(duì)比如表5所示。從表5可以看出，結(jié)構(gòu)的前三周期的水平地震影響系數(shù)，時(shí)程平均影響系數(shù)與反應(yīng)譜影Ⅱ向系數(shù)的誤差最大3.06%。表6給出了分別基于反應(yīng)譜計(jì)算與輸入加速度時(shí)程得到的模型底部剪力，通過模型底部剪力值的對(duì)比，可以看出分析選取的加速度時(shí)程合理。結(jié)合表5與表6可知，研究選取的地震波滿足規(guī)范要求，可以用于建立的模型的減震時(shí)程分析。

1.5小震時(shí)程分析

在SAP2000分析中，彈性時(shí)程分析采用軟件所提供的快速非線性分析（FNA）方法，即只考慮阻尼器的非線性、結(jié)構(gòu)本身假設(shè)為線性。研究分別對(duì)減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)模型對(duì)比分析，研究屈曲約束支撐對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的本工程小震下采用的地震加速度時(shí)程的最大值為55gal。

1.5.1層間位移角計(jì)算結(jié)果對(duì)比與分析

表7給出了減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)層間位移對(duì)比結(jié)果。從表7可以看出，無論是x方向，還是Y方向，從一至四層，減震結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移值均小于非減震結(jié)構(gòu)，而在五至六層，減震結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移值均大于非減震結(jié)構(gòu)。模型的屈曲約束支撐布置在一至三層，這表明屈曲約束支撐的布置，較好地改善了結(jié)構(gòu)的底部的側(cè)移。由于結(jié)構(gòu)上部未布置屈曲約束支撐，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上部的側(cè)移值較非減震結(jié)構(gòu)反而有一定的增加。

1.5.2層間剪力計(jì)算結(jié)果對(duì)比與分析

表8給出了減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)層間剪力對(duì)比結(jié)果。從表8可以看出，無論是x方向，還是Y方向，從一至六層，減震結(jié)構(gòu)的層間剪力值均大于非減震結(jié)構(gòu)。這主要的原因是屈曲約束支撐為結(jié)構(gòu)附加了剛度，結(jié)構(gòu)的周期減小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震力增加所致。

1.6大震層間位移角計(jì)算結(jié)果與分析

利用SAP2000，對(duì)建立的減震模型進(jìn)行大震彈塑性分析。在分析之前，需要對(duì)減震模型進(jìn)行如下調(diào)整：①主體結(jié)構(gòu)框架梁、柱均定義塑性鉸；②連接單元Plastic（Wen）模擬屈曲約束支撐。彈塑性時(shí)程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(duì)于運(yùn)動(dòng)微分方程的求解，選擇程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步積分法。輸入T1、T2以及R1三條地震波，對(duì)減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下的時(shí)程分析。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）規(guī)定，本工程大震下采用的地震加速度時(shí)程的最大值為310gal。減震結(jié)構(gòu)層間位移角計(jì)算結(jié)果見表9。從表9可以看出，減震結(jié)構(gòu)x方向?qū)娱g位移角包絡(luò)值為1/178，Y方向?qū)娱g位移角包絡(luò)值為1/184，表明減震結(jié)構(gòu)大震下的層間位移角滿足規(guī)范要求。

2結(jié)論

本文采用時(shí)程分析法，輸入地震波，對(duì)布置屈曲約束支撐后的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)宿舍樓的減震效果進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

①小震下，布置屈曲約束支撐后，結(jié)構(gòu)的下部樓層的層間側(cè)移值較未布置屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的側(cè)移值減少，而上部樓層的層間側(cè)移值較未布置屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的側(cè)移值增加。

②小震下，布置屈曲約束支撐后，減震結(jié)構(gòu)的周期小于非減震結(jié)構(gòu)，因此減震結(jié)構(gòu)的剪力較未布置屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的剪力值有所增加。

③附加防屈曲耗能支撐后，大震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角滿足規(guī)范要求，滿足“大震不倒”的要求。endprint