任 剛， 關(guān) 群

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

帶屈曲約束支撐的局部收進(jìn)框剪結(jié)構(gòu)的減震效果分析

任 剛， 關(guān) 群

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

屈曲約束支撐是一種性能優(yōu)良的新型位移型耗能減震構(gòu)件，在大震時(shí)表現(xiàn)出更強(qiáng)和更穩(wěn)定的耗能能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。闡述了屈曲約束支撐的構(gòu)成和基本原理，并通過(guò)ETABS有限元軟件對(duì)設(shè)有屈曲約束支撐并有局部收進(jìn)的框架剪力墻結(jié)構(gòu)相關(guān)工程進(jìn)行了耗能減震性能分析。

屈曲約束支撐；框架剪力墻結(jié)構(gòu)；有限元分析；減震

1 屈曲約束支撐構(gòu)件

屈曲約束支撐(Buckling-Restrained Brace,簡(jiǎn)稱(chēng)BRB)是一種新型的位移型金屬耗能構(gòu)件，在受拉與受壓時(shí)均能達(dá)到屈服而不發(fā)生屈曲，后因其較傳統(tǒng)支撐構(gòu)件具有優(yōu)良的滯回耗能性能，地震時(shí)不易屈曲、安裝簡(jiǎn)便且經(jīng)濟(jì)，破壞后便于更換等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于框架、框剪及框筒等新建工程減震設(shè)計(jì)以及既有建筑結(jié)構(gòu)的抗震加固和改造中[1-4]。本文基于某醫(yī)院框架剪力墻結(jié)構(gòu)，利用ETABS軟件對(duì)其進(jìn)行了多遇和罕遇地震作用下的有限元分析,研究了結(jié)構(gòu)增設(shè)BRB后減震結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)比分析了減震結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)層間位移角、樓層剪力等方面的減震控制效果、同時(shí)對(duì)BRB的耗能情況進(jìn)行分析研究。

1.1 基本組成

屈曲約束支撐的構(gòu)造組成主要從兩方面來(lái)分析，即橫向構(gòu)成和縱向構(gòu)成。屈曲約束支撐的橫向構(gòu)成分為3部分[5]，即核心單元、約束單元及滑動(dòng)機(jī)制單元，如圖1所示。

圖1 屈曲約束支撐的橫向構(gòu)成

屈曲約束支撐的縱向構(gòu)成分為5個(gè)部分[6](圖2)：約束屈服段；約束非屈服段；無(wú)約束非屈服段；無(wú)粘結(jié)可膨脹材料；屈曲約束機(jī)構(gòu)。這種組成形式構(gòu)成了約束屈曲支撐的特殊功能。

圖2 屈曲約束支撐的縱向構(gòu)成

1.2 屈曲約束支撐的基本原理

屈曲約束支撐的形式多樣，但原理基本相似。屈曲約束支撐的原理為(圖1)[7-8]：支撐結(jié)構(gòu)在地震作用下所承受的軸向力作用全部由支撐中心的芯材承受，該芯材在軸向拉力和壓力作用下屈服耗能，而外圍鋼管和鋼套管內(nèi)灌注混凝土或砂漿提供給芯材彎曲限制，避免芯材受壓時(shí)屈曲。由于泊松效應(yīng)，芯材在受壓情況下會(huì)膨脹，因此在芯材和砂漿之間設(shè)有一層無(wú)粘結(jié)材料或非常狹小的空氣層，可以減小或消除芯材軸力時(shí)傳給砂漿或混凝土的力。因此屈曲約束支撐同時(shí)具有同心斜撐和滯回型耗能原件的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)良的價(jià)值[9]。

2 有限元分析模型

2.1 工程概況

某醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院位于7度設(shè)防地區(qū)，基本地震加速度0.1g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)， 安全使用年限50 a，計(jì)算模型立面圖如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖如圖4。文獻(xiàn)[10]明確提出了三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)說(shuō)明見(jiàn)表1所列。

圖3 立面計(jì)算模型圖

圖4 屈曲約束支撐的橫向構(gòu)成圖

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能指標(biāo)

2.2 減震方案設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)模型的建立與驗(yàn)證

利用ETABS軟件建模對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析及7度多遇及罕遇地震作用下的時(shí)程分析。梁、柱均采用ETABS中空間桿系彈性單元，剪力墻采用殼單元，樓板采用膜單元，并采用樓板無(wú)限剛性的計(jì)算假定。BRB支撐采用plastical單元。為驗(yàn)證模型的正確性，建立結(jié)構(gòu)YJK模型，進(jìn)行分析，將YJK結(jié)構(gòu)周期與ETABS中周期進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2所列，可見(jiàn)，周期最大誤差為2.55%，兩種軟件計(jì)算的結(jié)果有一定的差別，但計(jì)算結(jié)果還是在可接受范圍內(nèi)。表中誤差計(jì)算公式為

(1)

表2 結(jié)構(gòu)周期對(duì)比

2.2.2 屈曲約束支撐的布置與選型

根據(jù)實(shí)際建筑需求，避開(kāi)結(jié)構(gòu)中門(mén)洞設(shè)計(jì)及建筑開(kāi)洞，從而不影響建筑的布置與使用。結(jié)合本工程的特點(diǎn)，本工程在第二層存在樓板不連續(xù)情況，在第七層局部收進(jìn)的水平尺寸大于相鄰下一層的25%，即側(cè)向剛度不規(guī)則。本工程屈曲約束支撐布置如圖4所示，二到六層布置于兩側(cè)樓梯處,每層1、3軸交L、A軸布置為人字形斜撐(虛線(xiàn)黑色橢圓標(biāo)記)阻尼器2個(gè)，每層1軸交AB、CD、HJ、KL軸布置為單斜撐(虛線(xiàn)黑色橢圓標(biāo)記)阻尼器2個(gè)；七到二十六層收進(jìn)16 m，且第七層為設(shè)備層，在第七層周邊框架布置為單斜撐,考慮到頂層兩層收進(jìn)8 m,由圖10可知，樓層中部十三至十六層位移角最大，故在十三至十六層及二十六層每層4、5軸交A、L軸布置為人字形斜撐(虛線(xiàn)黑色橢圓標(biāo)記)阻尼器2個(gè)；二十七至二十八層每層5、6軸交A、L軸布置為人字形斜撐(虛線(xiàn)黑色橢圓標(biāo)記)阻尼器2個(gè)，共64個(gè)阻尼器。設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3所列。

表3 屈曲約束支撐參數(shù)

3 分析結(jié)果對(duì)比

3.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)比

減震結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)比見(jiàn)表2。增設(shè)屈曲約束支撐后，為結(jié)構(gòu)提供附加剛度，因此帶屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)較原結(jié)構(gòu)的周期有一定的降低，最大減少率為8.2%。

3.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)比

結(jié)構(gòu)減震前后3條地震波計(jì)算所得層間位移角平均值的對(duì)比如圖5及圖6所示。多遇地震下，原結(jié)構(gòu)彈性層間位移角部分超過(guò)規(guī)范限值1/800，增設(shè)屈曲約束支撐后，X向減震效果較大，減震后X向結(jié)構(gòu)比原結(jié)構(gòu)的位移角最大減小率為25.6%，由1/700減小為1/941，滿(mǎn)足規(guī)范要求，達(dá)到結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。多遇、罕遇地震作用下，Y向結(jié)構(gòu)的最大層間位移角出現(xiàn)在中部樓層，其中多遇地震作用時(shí)均出現(xiàn)在17層，罕遇地震作用時(shí)RH1TG090波、RH1TG090波和人工波TH1TG090分別出現(xiàn)在13層、14層、13層,而且都是除了頂層與第二層位移出現(xiàn)突變外，在中間樓層處曲線(xiàn)最為陡峭。從圖7可以看出，罕遇地震作用時(shí)，二層、中部樓層及頂部?jī)蓪映霈F(xiàn)薄弱層，增設(shè)屈曲約束支撐后，緩解了位移角的突變，減震后X向結(jié)構(gòu)比原結(jié)構(gòu)的位移角最大減小率為57.6%，由1/187減小為1/432。

多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)減震前后3條地震波計(jì)算所得樓層剪力平均值的對(duì)比如圖所示。由圖8和圖9所示，增設(shè)屈曲約束支撐后，樓層剪力減小，由于中間八到十二層以及十七到二十六層沒(méi)有增設(shè)屈曲約束支撐，樓層剪力減小效果不明顯，減震后X向最大樓層剪力由8 463.5 kM減小為7 560.8 kN，減小率為10.7%，Y向最大樓層剪力由7 578.6 kN減小為7 421.2 kN，減小率為2%，可見(jiàn)，屈曲約束支撐減小結(jié)構(gòu)地震剪力，提高了結(jié)構(gòu)安全度。

圖5 多遇地震作用下X向?qū)娱g位移角(1/rad)

圖6 多遇地震作用下Y向?qū)娱g位移角(1/rad)

圖7 罕遇地震X向位移角(1/rad)

圖8 X向樓層剪力/kN

圖9 Y向樓層剪力/kN

4 結(jié)束語(yǔ)

(1) 原結(jié)構(gòu)在未加屈曲約束支撐時(shí)，在第二層特別是在頂層兩層局部收進(jìn)的位置位移角發(fā)生了突變，加支撐后突變明顯改變，所以對(duì)于結(jié)構(gòu)在豎向局部收進(jìn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度、內(nèi)力、變形突變的問(wèn)題，能夠通過(guò)合理設(shè)置屈曲約束支撐使結(jié)構(gòu)得到改善。

(2) 由圖5、圖7可知層間位移角最大減小率為57.6%，樓層剪力最大減小率為10.7%，減震效果非常明顯。所以約束屈曲支撐對(duì)控制局部收進(jìn)的框剪結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力和位移都有顯著的效果。

(3) 由于該結(jié)構(gòu)X方向豎向局部收進(jìn)，所以在X向設(shè)置屈曲約束支撐，既能使高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)X向滿(mǎn)足剛度要求又滿(mǎn)足多遇地震下變形和承載力要求，在罕遇地震下又能夠呈現(xiàn)良好的耗能狀態(tài)。

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2016-12-22

任 剛(1989-)，男，安徽六安人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生； 關(guān) 群(1962-)，女，江蘇揚(yáng)州人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)教授．

TU973.31

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1673-5781(2016)06-0783-03