屈曲約束支撐在某住院樓框架結構減震中的應用研究

徐竟峰 趙樹強

(1.云南省城鄉規劃設計研究院,昆明 650228; 2.云南省城鄉建設投資有限公司,昆明 650501)

0 引 言

地震災害嚴重威脅著人民的生命財產安全。隨著社會的發展和科學技術的進步,傳統設計理念中“抗”的思想不僅難以滿足抗震設防要求,而且還會造成不合理的結構設計和資源的浪費。因此,結構振動控制這一新興的理念在實際工程中有越來越多的應用[1]。結構振動控制按類型主要可分為消能減震、基礎隔震和動力吸振等[2-3]。消能減震中常用的阻尼器有黏滯阻尼器、屈曲約束支撐(Buckling-Restrained Brace,簡稱BRB),軟鋼阻尼器和鉛阻尼器等[4]。其中,BRB由于解決了普通鋼支撐失穩破壞的問題,不僅大大提高了鋼材的使用率,而且施工方法與普通鋼結構支撐相同,具有施工進度快,質量可靠的優點,因此在工程中有著越來越多的應用[5-7]。

BRB一般由芯材,外套筒以及套筒內無粘結材料組成,大多利用剛度較大的外套筒限制中心芯板的屈曲。郭彩娟等[8]進行了某博物館結構防屈曲支撐的減震分析。王洪濤等[9]進行了考慮二次地震激勵的RC框架-屈曲約束支撐結構位移響應分析。賴偉強等[10]進行了某設備廠房的消能減震加固設計分析。嚴俊等[11]進行了速度型阻尼器和防屈曲支撐在裝配式框架結構縱向體系中減震效果的研究。周云等[12]進行了鋼板裝配式屈曲約束支撐性能的試驗研究。

本文首先對BRB進行了原理簡介與分析,然后以一高烈度區的住院樓框架結構項目為例,進行加設BRB的減震分析設計。首先進行BRB布置位置的試算,然后分別研究了該結構在小震、大震和罕遇地震作用下的動力響應,討論并驗證了BRB的耗能機理和減震效果。本文的設計方法可為相似工程提供參考。

1 工程概況與BRB布置

1.1 工程概況

下文以一實際工程中的住院樓框架結構為例進行加設BRB后的抗震性能分析。該住院樓框架結構共13層,建筑高度49.597 m,高寬比為6.8,所在地的設防烈度為7度,設計基本地震加速度0.15g,場地類別Ⅲ類,地震分組第三組,框架抗震等級一級。由于本住院樓為重點設防類,因此應該充分注意建筑結構的抗震性能,尤其是在罕遇地震作用下,結構的抗倒塌性能。為提高該結構地震下的安全性,本工程擬采用減震阻尼器BRB加強結構的抗震性能,采用BRB作為減震構件。該住院樓框架結構的典型建筑平面圖如圖1所示。

圖1 典型建筑平面圖Fig.1 Typical building plan

1.2 BRB布置位置選擇

本項目在大型結構有限元分析軟件Etabs中建模分析。BRB沿樓層豎向布置的原則為:在地震作用下,會產生較大支撐內力和層間位移角較大的樓層優先布置BRB。在樓層平面內,遵循“均勻、分散、對稱”的原則布置原則。

結合本工程的建筑使用功能,BRB共采用人字形,V字形和單斜撐型共三種布置形式。該框架結構在Etabs中的有限元模型如圖2所示。

圖2 結構有限元模型Fig.2 Structural finite element model

為了方便查看各個BRB的出力和位移情況,本文對每層的BRB進行編號。編號原則為:方向—樓層—序號。例如:“BRB-X1-1”的意思是X向第1層屈曲約束支撐1號。其中,1～7軸立面的BRB布置圖如圖3所示。

2 動力分析

2.1 地震波選取

參照《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)中第5.1.2.3條的要求,在采用時程分析法進行抗震分析時,應該以建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線。其中,實測強震記錄的數量不應少于總數的2/3,多組時程曲線的平均地震影響系數曲線在統計意義上應該相符,其加速度時程的最大值可按抗震規范表5.1.2-2進行采用。在進行結構的彈性時程分析時,每條時程曲線計算所得的結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的65%,且不應大于振型分解反應譜法計算結果的135%;利用多條地震時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值,不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%,且不應大于振型分解反應譜法計算結果的120%。

本工程結構的抗震設防基本烈度地震和罕遇地震分別采用2條天然地震波和1條人工地震波。按照GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》12.2.2的規定,選取用于彈性及非線性時程分析的3條地震波的加速度時程曲線分別如圖4-圖6所示。

圖4 A10人工波時程曲線Fig.4 A10 artificial wave time-history curve

圖5 LK-0660天然波時程曲線Fig.5 LK-0660 natural wave time-history curve

分析該結構在地震作用下的響應時,選取的不同水平的地震作用參數如表1所示。

2.2 多遇地震彈性時程分析

經過試算后,本項目共使用347根BRB,部分BRB參數如表2所示。

表1地震作用計算參數

Table 1 Earthquake action calculation parameters

在Etabs中,采用快速非線性的方法對結構進行多遇地震彈性時程分析。多遇地震時程分析位移角結果如表3所示。

表2部分BRB產品參數表

Table 2 Partial BRB product parameters

表3多遇地震時程分析位移角結果

Table 3 Results of the displacement angle under frequting earthquake

由表3數據可見,多遇地震作用下,結構各層的位移角均很小,已經控制在規范要求的限值以內,即結構在多遇地震作用下處于彈性狀態。由BRB的出力計算可見,BRB在多遇地震作用下的出力設計值均小于BRB的屈服承載力。因此,可判斷知BRB均未進入屈服狀態。

2.3 罕遇地震彈塑性時程分析

本小節在Etabs中采用直接積分法對結構進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析。分析結果如表4所示。

表4罕遇地震時程分析位移角結果

Table 4 Results of the displacement angle under rare earthquake

從表4可見,罕遇地震時程分析所采用的三條波,所計算得到的層間位移角均滿足規范中1/60的減震結構塑性位移角要求。同時,罕遇地震作用下的減震結構與非減震結構的水平位移之比均小于0.75。對BRB進行罕遇地震時程分析,由BRB的出力及位移結果可知,該住院樓框架結構所布置的BRB在罕遇地震作用下均進入屈服狀態,起到良好的耗能作用。

為了保證“大震不倒”,結構在地震作用下必須具有合理的耗能機制。在罕遇地震作用下,結構的部分構件進入塑性有利于結構的耗能,其中,結構的耗能性能與結構出鉸情況及出鉸順序有關。下文以人工波A10為例,給出人工波A10作用下,結構的X向和Y向整體最終出鉸情況,如圖7和圖8所示。

圖7 人工波A10作用下X向整體出鉸圖Fig.7 The hinge display of the whole Xstructure under the wave A10

圖8 人工波A10作用下Y向整體出鉸圖Fig.8 The hinge display of the whole Ystructure under the wave A10

由圖7和圖8可見,人工波A10作用下,結構塑性鉸幾乎都出在梁端和BRB的兩側。因此,滿足抗震設防理念中的“強柱弱梁,強節點弱構件,強剪弱彎”的設計原則。

BRB通過自身的屈服來幫助結構耗散地震能量。BRB滯回曲線的面積直接反映了其耗能能力的大小。圖9以A10波作用下,七層Y向K233阻尼器滯回曲線為例進行直觀地說明。

從BRB滯回曲線可以看出,在罕遇地震作用下,BRB均進入屈服狀態,能夠通過自身的塑性變形耗散地震能量。BRB的滯回曲線較為飽滿,耗能能力顯著。

圖9 A10波作用七層Y向K233阻尼器滯回曲線Fig.9 Hysteresis curve of K233 damper in Ydirection on 7th floor under A10 wave

3 結 論

本文以BRB在某住院樓框架結構的減震設計中的應用分析為例,對結構的整體有限元模型進行了彈性和彈塑性時程分析,采用三組不同地震波分析了結構在X向單向和Y向單向地震輸入下的抗震性能,主要可得結論如下:

(1) 多遇地震作用下,主體結構保持彈性,BRB均處于彈性階段,僅起到提供剛度作用,滿足預期性能目標。

(2) 罕遇地震作用下,結構的部分構件開始進入塑性狀態,框架梁優先出現梁鉸,而后柱子出現柱鉸,結構總體滿足“強柱弱梁”的要求。

(3) 罕遇地震作用下,結構只有部分構件進入塑性,出現塑性鉸。結構的最大彈塑性層間位移角為:X向1/148,Y向1/123。這表明結構在加設BRB后,具有良好的抗震耗能機制,保證了結構的安全性和可靠性,達到預期減震目標。

(4) 罕遇地震作用下,各BRB均進入塑性階段,通過滯回耗能,發揮了良好的耗能能力,為結構主體提供了良好的安全保證。

本文加設BRB的設計方法和分析結果可為相似工程和研究提供參考。