局部錯層框架結構混合減震分析

龍錦添 陳 瑤 王 輝 黎良輝

(廣州大學土木工程學院,廣州 510006)

0 引 言

隨著工程建設的不斷發展和進步,錯層結構逐漸應用于建筑結構中,但是錯層結構由于樓板錯層,使得交接部位容易形成豎向短構件(如短柱構件),從而導致錯層結構扭轉不規則、剛度突變等問題,并且錯層處的框架柱受力復雜,易發生短柱受剪破壞,對結構不利于抗震[1-3]。文獻[4]對結構的布置跨數和布置方式進行分析,研究不同布置方式對高層錯層結構的影響;文獻[5]對剪力墻錯層建筑結構進行靜力和動力彈塑性分析,給出了結構在罕遇地震作用下抗震性能評估;文獻[6]對帶有轉換層的錯層結構進行振動臺試驗和有限元計算分析,得出模型試驗結果與計算結果沿高度分布規律一致;文獻[7]對住宅小區錯層結構進行設計與分析,結果表明對錯層結構采取嚴格的抗震措施和性能化設計后,可以有效提高錯層結構的抗震性能。

消能減震技術應用于錯層結構的研究較少,為解決結構的層間位移角和位移比不滿足規范限值以及分析錯層框架柱的內力性能等問題,對結構增設防屈曲耗能支撐和黏滯阻尼器進行混合減震控制分析,以減輕結構的動力響應,從而更好地保護主體結構免受地震破壞。

1 工程概況

本工程為鋼筋混凝土框架結構,結構高11.35 m,結構平面尺寸為橫向長度約為18.2 m,縱向長度約為26.7 m,結構主要梁柱尺寸為550 mm×300 mm、500 mm×500 mm,混凝土采用C30。結構有5層,最大層高為4.3 m,最小層高為2.5 m,結構第四層存在錯層。該工程處在抗震設防烈度為7度地區,地震分組為第三組,場地類別為Ⅱ類。圖1為結構三維示意圖,圖2為結構的建筑平面圖,圖3為結構A抽線立面圖。

圖1 結構三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic of structure

圖2 建筑平面圖(單位:mm)Fig.2 Plan of building (Unit:mm)

圖3 A軸立面圖(單位:mm)Fig.3 Fa?ade map of A axis (Unit:mm)

2 建立結構模型并驗證

利用SAP2000軟件建立結構三維模型,并結合PKPM模型進行對比校核,以驗證模型的準確性。結構PKPM模型質量為2 768 t,SAP2000模型質量為2 763 t,誤差僅為0.17%;表1、表2和表3分別為SAP2000模型和PKPM模型的周期、剪力和層間位移角,周期誤差最大為0.68%,剪力誤差最大為3.73%,層間位移角最大誤差為3.95%。可見,兩個模型的質量、周期、剪力、層間位移角誤差都在5%以內,有效驗證了該模型的正確性,能夠反映結構的動力特性,可用于后續計算分析。

表1PKPM與SAP2000模型周期對比

Table 1 Comparison of period in PKPM model and ETABS model

注：誤差=|(SAP2000-PKPM)/PKPM|×100%

《建筑抗震設計規范》(以下簡稱為《抗規》)3.4.3-1條對于扭轉不規則的定義為:在規定的水平力作用下,樓層的最大彈性水平位移(或層間位移),大于該樓層兩端彈性水平位移(或層間位移)平均值的1.2倍。規范對樓層扭轉位移比α的計算可以定義為

(1)

式中:δ1為樓層最大的彈性水平位移;δ2為樓層最小的彈性水平位移。

樓層扭轉位移比α越大,說明相對層間位移越大,樓層結構的豎向構件越容易破壞,扭轉變形越大。

由表4可知,結構錯層樓層處的位移比大于1.2,屬于扭轉不規則結構;由表2和表3可知,原始結構第2層的層間位移角超限,不滿足彈性層間位移角限值1/550。該結構存在錯層,錯層兩側的樓板相互交錯,不在同一平面內,造成了錯層柱缺乏框架梁的約束作用,從而造成了結構水平抗側剛度降低,層間位移角峰值偏大。擬布置VD和BRB進行混合減震控制,改善結構的層間位移角和控制結構錯層樓層的位移比進而減少結構因錯層引起的扭轉效應。

圖4 平面扭轉變形示意圖Fig.4 Torsion deformation graph

表2PKPM模型與SAP2000模型X向樓層剪力和層間位移角對比

Table 2 Comparison of X direction story shear and interlayer displacement angle in PKPM model and ETABS model

表3PKPM模型與SAP2000模型Y向樓層剪力和層間位移角對比

Table 3 Comparison of Y direction story shear and interlayer displacement angle in PKPM model and ETABS model

注：誤差=|(SAP2000-PKPM)/PKPM|×100%

表4原結構位移比

Table 4 Displacement ratio of original structure

3 地震波的選取

《抗規》規定,進行彈性時程分析時每條時程曲線計算所得結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的65%,多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值均不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%。綜上所述,本工程擬選取5條實際強震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線對結構進行時程分析。7條地震波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所用的地震影響系數曲線對比如圖5所示,可以看出,兩者在對應于結構主要振型的周期點上(T1、T2、T3)相差不大于20%,符合規范要求。

4 消能器布置方案及參數設置

消能器布置時應盡可能分散布置,并且布置在層間相對位移較大的樓層,這樣可使結構在兩個水平主軸方向的動力特性相近,避免結構形成明顯的薄弱樓層和扭轉,也可以提高消能器的減震效率。經反復調試計算下,擬布置4套VD和3套BRB。VD布置在結構的第2層;BRB布置在結構的第4層。VD和BRB設計參數分別見表5,消能器布置平面圖和安裝示意圖分別如圖6和圖7所示。

圖5 7條地震波加速度時程曲線與反應譜曲線圖對比Fig.5 Comparisons of time history and response spectrum of seven seismic waves

圖6 消能器布置平面圖(單位:mm)Fig.6 Energy dissipater layout plan (Unit:mm)

圖7 消能器安裝示意圖Fig.7 Installation diagram of energy dissipater

表5VD和BRB設計參數

Table 5 Design parameters of VD and BRB

5 有限元計算結果分析

5.1 層間位移角和位移比對比分析

本結構第4層存在錯層,樓板不在同一個平面內,橫向框架梁沒有相互貫通,錯層部分的側向位移較大,使得結構在錯層處的位移比不滿足規范要求,增加VD和BRB來控制結構的位移比是有效的措施。表6為結構進行減震后的位移比均值,由表6可知,增加VD和BRB進行減震后,結構錯層部分的位移比控制在1.2以下。由此可知,布置VD和BRB后,能夠有效控制錯層部分的位移比并改善結構的扭轉效應。

結構在多遇地震和罕遇地震作用下的層間位移角如圖8所示。從圖中可知,原結構在多遇地震作用下的層間位移角大于規范限值1/550,不滿足規范要求。對結構增設BRB和VD進行減震后,結構的層間位移角有明顯降低。多遇地震作用下,減震后結構X向最大層間位移角由1/497降低到1/789,最大減震效果達37.05%;減震后結構Y向最大層間位移角由1/467降低到1/781,最大減震效果達40.24%;罕遇地震作用下,原結構層間位移角較減震結構也有明顯降低,X向層間位移角約減少19.24%,Y向層間位移角約減少28.09%。說明VD和BRB在多遇地震和罕遇地震作用下均發揮了很好的耗能能力,能夠提高結構的抗震性能。

圖8 層間位移角對比分析Fig.8 Comparative analysis of interlayer displacement angle

結構在多遇地震波(DZ6)作用下的頂點位移時程曲線如圖9所示。由圖可知,對結構增設BRB和VD進行減震后,減震結構的頂點位移相對原結構有減少。其中,結構X向頂點位移最大值由30 mm減少到21 mm;結構Y向頂點位移最大值由27 mm減少到19 mm。并且由圖可看出,在頂點位移振幅強烈時段上,減震結構X向和Y向的時間都相對原結構有所縮短。可見,對結構增設BRB和VD進行減震能夠很好地減小結構的動力響應。

圖9 結構頂點位移時程曲線Fig.9 Time history curves of structural top displacement

5.2 樓層剪力及基底剪力對比分析

圖10為結構在多遇地震作用下減震前后的樓層剪力對比,所取樓層剪力為7條地震波的均值。由圖可以看出,結構在增設BRB和VD進行減震后,X向和Y向樓層剪力均明顯降低,其中X向減震效果約36.94%;Y向減震效果約41.20%。

表7為結構在多遇地震作用下減震前后的基底剪力對比。由表可知,對結構增設消能器后,結構在7條地震波作用下其基底剪力較減震前均有降低,結構承載能力比原始結構更好。

5.3 阻尼器耗能分析

圖10 樓層剪力對比分析Fig.10 Comparative analysis of story shear

表6減震結構的位移比

Table 6 Displacement ratio of the shock absorption structure

表7基底剪力對比分析

Table 7 Comparative analysis of base shear

圖11為結構在多遇地震和罕遇地震作用下的部分阻尼器滯回曲線圖。滯回曲線為力與位移的曲線,反映了阻尼器的工作耗能情況。由圖可見,多遇地震作用下黏滯阻尼器滯回曲線飽滿,發生微小位移即可大量耗能,而BRB在多遇地震作用下未進入耗能狀態,僅為結構提供剛度;罕遇地震作用下黏滯阻尼器兩端出力和位移都增大,其耗能效果更佳,而BRB兩端力和位移也增大,滯回曲線飽滿,進入耗能狀態,說明兩種阻尼器在罕遇地震作用下均屈服而進入耗能狀態,減少主體結構的損傷。

5.4 錯層柱內力分析

框架柱是鋼筋混凝土框架結構的重要的承重構件。對于建筑結構的錯層部位,容易產生短柱,短柱構件由于剛度增大使得分配的荷載較大,從而導致其延性和耗能能力降低,發生不同程度的破壞。

結構第四層錯層部分的柱子編號如圖2所示,表8為錯層處5號框架柱在減震前和減震后的軸力及剪力對比分析。由表可知,對結構增設VD和BRB進行混合減震,錯層處框架柱內力在7條地震波作用下均有明顯的降低。其中,軸力X向減震效果約52.05%,Y向減震效果約50.09%;剪力X向減震效果約54.05%,Y向減震效果約53.63%。可見,增設VD和BRB進行混合減震能夠保護結構重要承重構件,提高結構在地震作用下的安全性能。

6 結 論

本文通過對某扭轉不規則的錯層框架結構增設VD和BRB進行混合減震分析,對比分析了層間位移角、位移比、層間剪力、基底剪力、錯層部分框架柱內力、阻尼器耗能等影響,得出以下幾點結論:

(1) 結構增設黏滯阻尼器和防屈曲耗能支撐后,結構層間位移角、位移比、層間剪力、基底剪力、錯層部分框架柱內力均有所降低,減震效果明顯。其中結構層間位移角和位移比由不滿足規范要求改善至滿足規范要求。

(2) 結構錯層部分由于樓板不在同一個平面,側向位移較大,導致結構位移比不滿足規范要求,對結構增設防屈曲耗能支撐進行振動控制后,可以有效的降低結構錯層處的位移比,并改善錯層結構的扭轉效應。

圖11 地震作用下部分阻尼器的滯回曲線Fig.11 Hysteresis curves of some dampers under earthquake

表85號框架柱減震前后的內力對比分析

Table 8 Comparative analysis of 5 frame column

(3) 錯層處的框架柱容易發生短柱破壞,對結構進行消能減震后,能夠有效地降低結構錯層框架柱的內力,并增加其延性和耗能能力。

(4) 黏滯阻尼器在多遇地震和罕遇地震作用下滯回曲線飽滿,均進入耗能狀態;防屈曲耗能支撐在多遇地震作用下未進入耗能狀態僅為結構提供剛度,在罕遇地震作用下滯回曲線飽滿,進入耗能狀態。