徐竟峰 趙樹強(qiáng)

(1.云南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,昆明 650228; 2.云南省城鄉(xiāng)建設(shè)投資有限公司,昆明 650501)

0 引 言

地震災(zāi)害嚴(yán)重威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念中“抗”的思想不僅難以滿足抗震設(shè)防要求,而且還會(huì)造成不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和資源的浪費(fèi)。因此,結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制這一新興的理念在實(shí)際工程中有越來越多的應(yīng)用[1]。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制按類型主要可分為消能減震、基礎(chǔ)隔震和動(dòng)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(wěn)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(jié)構(gòu)支撐相同,具有施工進(jìn)度快,質(zhì)量可靠的優(yōu)點(diǎn),因此在工程中有著越來越多的應(yīng)用[5-7]。

BRB一般由芯材,外套筒以及套筒內(nèi)無粘結(jié)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(jìn)行了某博物館結(jié)構(gòu)防屈曲支撐的減震分析。王洪濤等[9]進(jìn)行了考慮二次地震激勵(lì)的RC框架-屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)分析。賴偉強(qiáng)等[10]進(jìn)行了某設(shè)備廠房的消能減震加固設(shè)計(jì)分析。嚴(yán)俊等[11]進(jìn)行了速度型阻尼器和防屈曲支撐在裝配式框架結(jié)構(gòu)縱向體系中減震效果的研究。周云等[12]進(jìn)行了鋼板裝配式屈曲約束支撐性能的試驗(yàn)研究。

本文首先對(duì)BRB進(jìn)行了原理簡介與分析,然后以一高烈度區(qū)的住院樓框架結(jié)構(gòu)項(xiàng)目為例,進(jìn)行加設(shè)BRB的減震分析設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行BRB布置位置的試算,然后分別研究了該結(jié)構(gòu)在小震、大震和罕遇地震作用下的動(dòng)力響應(yīng),討論并驗(yàn)證了BRB的耗能機(jī)理和減震效果。本文的設(shè)計(jì)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(shí)際工程中的住院樓框架結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行加設(shè)BRB后的抗震性能分析。該住院樓框架結(jié)構(gòu)共13層,建筑高度49.597 m,高寬比為6.8,所在地的設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)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(jí)一級(jí)。由于本住院樓為重點(diǎn)設(shè)防類,因此應(yīng)該充分注意建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能,尤其是在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能。為提高該結(jié)構(gòu)地震下的安全性,本工程擬采用減震阻尼器BRB加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能,采用BRB作為減震構(gòu)件。該住院樓框架結(jié)構(gòu)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(xiàng)目在大型結(jié)構(gòu)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(huì)產(chǎn)生較大支撐內(nèi)力和層間位移角較大的樓層優(yōu)先布置BRB。在樓層平面內(nèi),遵循“均勻、分散、對(duì)稱”的原則布置原則。

結(jié)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(jié)構(gòu)在Etabs中的有限元模型如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 Structural finite element model

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

2 動(dòng)力分析

2.1 地震波選取

參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)中第5.1.2.3條的要求,在采用時(shí)程分析法進(jìn)行抗震分析時(shí),應(yīng)該以建筑場地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程曲線。其中,實(shí)測強(qiáng)震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3,多組時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上應(yīng)該相符,其加速度時(shí)程的最大值可按抗震規(guī)范表5.1.2-2進(jìn)行采用。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈性時(shí)程分析時(shí),每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%,且不應(yīng)大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的135%;利用多條地震時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值,不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%,且不應(yīng)大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的120%。

本工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)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(shè)計(jì)規(guī)范》12.2.2的規(guī)定,選取用于彈性及非線性時(shí)程分析的3條地震波的加速度時(shí)程曲線分別如圖4-圖6所示。

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

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

分析該結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)時(shí),選取的不同水平的地震作用參數(shù)如表1所示。

2.2 多遇地震彈性時(shí)程分析

經(jīng)過試算后,本項(xiàng)目共使用347根BRB,部分BRB參數(shù)如表2所示。

表1地震作用計(jì)算參數(shù)

Table 1 Earthquake action calculation parameters

在Etabs中,采用快速非線性的方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震彈性時(shí)程分析。多遇地震時(shí)程分析位移角結(jié)果如表3所示。

表2部分BRB產(chǎn)品參數(shù)表

Table 2 Partial BRB product parameters

表3多遇地震時(shí)程分析位移角結(jié)果

Table 3 Results of the displacement angle under frequting earthquake

由表3數(shù)據(jù)可見,多遇地震作用下,結(jié)構(gòu)各層的位移角均很小,已經(jīng)控制在規(guī)范要求的限值以內(nèi),即結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下處于彈性狀態(tài)。由BRB的出力計(jì)算可見,BRB在多遇地震作用下的出力設(shè)計(jì)值均小于BRB的屈服承載力。因此,可判斷知BRB均未進(jìn)入屈服狀態(tài)。

2.3 罕遇地震彈塑性時(shí)程分析

本小節(jié)在Etabs中采用直接積分法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析。分析結(jié)果如表4所示。

表4罕遇地震時(shí)程分析位移角結(jié)果

Table 4 Results of the displacement angle under rare earthquake

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

為了保證“大震不倒”,結(jié)構(gòu)在地震作用下必須具有合理的耗能機(jī)制。在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)的部分構(gòu)件進(jìn)入塑性有利于結(jié)構(gòu)的耗能,其中,結(jié)構(gòu)的耗能性能與結(jié)構(gòu)出鉸情況及出鉸順序有關(guān)。下文以人工波A10為例,給出人工波A10作用下,結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)塑性鉸幾乎都出在梁端和BRB的兩側(cè)。因此,滿足抗震設(shè)防理念中的“強(qiáng)柱弱梁,強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件,強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)原則。

BRB通過自身的屈服來幫助結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)入屈服狀態(tài),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(jié) 論

本文以BRB在某住院樓框架結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析為例,對(duì)結(jié)構(gòu)的整體有限元模型進(jìn)行了彈性和彈塑性時(shí)程分析,采用三組不同地震波分析了結(jié)構(gòu)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(jié)論如下:

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

(2) 罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)的部分構(gòu)件開始進(jìn)入塑性狀態(tài),框架梁優(yōu)先出現(xiàn)梁鉸,而后柱子出現(xiàn)柱鉸,結(jié)構(gòu)總體滿足“強(qiáng)柱弱梁”的要求。

(3) 罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)只有部分構(gòu)件進(jìn)入塑性,出現(xiàn)塑性鉸。結(jié)構(gòu)的最大彈塑性層間位移角為:X向1/148,Y向1/123。這表明結(jié)構(gòu)在加設(shè)BRB后,具有良好的抗震耗能機(jī)制,保證了結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性,達(dá)到預(yù)期減震目標(biāo)。

(4) 罕遇地震作用下,各BRB均進(jìn)入塑性階段,通過滯回耗能,發(fā)揮了良好的耗能能力,為結(jié)構(gòu)主體提供了良好的安全保證。

本文加設(shè)BRB的設(shè)計(jì)方法和分析結(jié)果可為相似工程和研究提供參考。