王 穎，朱成泰，鐘 晨，高彬森

（安徽新華學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230088）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們審美的改變，不對(duì)稱、不規(guī)則的建筑越來(lái)越多，其建筑質(zhì)量中心與剛度中心產(chǎn)生偏離，在地震作用下必然導(dǎo)致產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)，還會(huì)引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，更容易造成較大程度的破壞[1]。目前，耗能減震技術(shù)的應(yīng)用日益成為控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的一條新途徑[2]。關(guān)于防屈曲耗能支撐和隔震支座的研究和試驗(yàn)?zāi)壳按蠖嗍轻槍?duì)規(guī)則的平面結(jié)構(gòu)，本研究將防屈曲耗能支撐（BRB）和鉛芯橡膠隔震支座LRB聯(lián)合應(yīng)用于不規(guī)則結(jié)構(gòu)，分別對(duì)某不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行原結(jié)構(gòu)、設(shè)置防屈曲耗能支撐、設(shè)置鉛芯橡膠基礎(chǔ)隔震支座、防屈曲支撐和鉛芯橡膠基礎(chǔ)隔震支座聯(lián)合設(shè)置四種不同控制方案的地震反應(yīng)分析，對(duì)比不同控制方案下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特點(diǎn)及規(guī)律，特別是控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)分析。本文的研究成果可供類似工程實(shí)際應(yīng)用和研究參考。

1 工程概況

某L形鋼結(jié)構(gòu)工程布置如圖1所示：首層高度4.2m，2至12層為3.6m，總高43.8m，屬于A類建筑。柱子為箱形截面，KZ1的截面尺寸（邊長(zhǎng)×邊長(zhǎng)×壁厚）：1至6層為 400×400×12，7至12層為350×350×12，KZ2的截面尺寸1至6層為500×500×16，7至12層為 450×450×16，工字形梁（高×寬×腹板厚度×翼緣厚度）為600×250×12×24。樓板厚度100mm，混凝土為C30，梁柱采用Q345鋼。結(jié)構(gòu)樓面恒載2.0kN m2，樓板自重由程序自動(dòng)計(jì)算，活載2.0kN m2，梁上線荷載4.5kN m。8度（0.3g）設(shè)防，三級(jí)抗震，設(shè)計(jì)地震第一分組，Ⅱ類場(chǎng)地。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 技術(shù)參數(shù)選擇

防屈曲耗能支撐BRB在MIDAS中利用邊界條件中的滯后系統(tǒng)來(lái)模擬。假定梁柱節(jié)點(diǎn)為剛接，樓板均為剛性隔板。需要先計(jì)算出該結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，確定BRB與結(jié)構(gòu)的合理剛度比，從而求得BRB的等效截面面積。綜合考慮后選用TJ耗能型屈曲支撐，根據(jù)廠家提供的型號(hào)，初選出支撐的型號(hào)如表1所示，然后計(jì)算出初選型號(hào)的BRB等效剛度[3]。

表1 TJ耗能型屈曲支撐技術(shù)參數(shù)表

選用鉛芯橡膠隔震支座LRB，需要同時(shí)滿足最小尺寸和水平屈服承載力要求。估算隔震支座最小尺寸，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定丙類建筑的隔震層橡膠隔震支座在重力荷載代表值下的豎向壓應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)15MPa，柱底支座面積A=F/σ,再根據(jù)公式D=2Aπ即能夠算出每個(gè)柱底處所需支座的最小直徑。估算隔震層水平總的屈服力值，要求不小于在重力荷載代表值作用下的基底反力的2%。由于L形結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則扭轉(zhuǎn)影響，需選擇直徑較大的LRB。綜合考慮初選出支座型號(hào)，見(jiàn)表2。

表2 GZY鉛芯橡膠支座技術(shù)參數(shù)表

3 四種不同抗震控制方案

為了分析防屈曲耗能支撐、鉛芯橡膠隔震支座及兩者聯(lián)合應(yīng)用對(duì)不規(guī)則鋼框架減震效應(yīng)的影響，抗震控制方案分為四種：如圖2所示。方案一：原結(jié)構(gòu)；方案二：原結(jié)構(gòu)+BRB；方案三：原結(jié)構(gòu)+LRB；方案四：原結(jié)構(gòu)+BRB+LRB。

BRB布置形式有很多類型，綜合考慮本工程采用單斜向布置形式，支撐兩端均安裝在梁與柱的節(jié)點(diǎn)位置，BRB與梁、柱為鉸接。對(duì)于本工程不規(guī)則L形高層結(jié)構(gòu)，支撐的布置數(shù)量與位置會(huì)直接影響減震效果，因此要依據(jù)結(jié)構(gòu)不規(guī)則程度與結(jié)構(gòu)剛度來(lái)確定[3-6]。支撐設(shè)置數(shù)量在結(jié)構(gòu)肢端和轉(zhuǎn)角位置相同，可以獲得較好的減震效果[7]。鉛芯橡膠支座LRB的布置，考慮到扭轉(zhuǎn)影響，結(jié)構(gòu)周邊位移可能會(huì)稍大，布置的原則是在結(jié)構(gòu)四周設(shè)置阻尼與剛度比較大的支座，這樣可以提高結(jié)構(gòu)的抗扭性能，更利于結(jié)構(gòu)耗能[8]。綜合考慮將LRB900沿周邊布置，LRB800布置在中間位置，見(jiàn)方案三。

圖2 四種不同抗震控制方案圖

4 模態(tài)分析

采用MIDAS-GEN分析軟件對(duì)這四種不同控制方案進(jìn)行模態(tài)分析，分析時(shí)采用的最大計(jì)算振型數(shù)為18，符合振型的數(shù)量使結(jié)構(gòu)各振型質(zhì)量參與系數(shù)之和應(yīng)不小于90%的要求[9]。分析可得到各控制方案前3振型的周期、周期比及質(zhì)量參與系數(shù)，如表3所示。

由表3可得到：第1振型周期，方案二比方案一原結(jié)構(gòu)降低了26.87%，方案三比方案二增大了42.86%，方案四比方案二增大了33.18%，方案四比方案三降低了14.49%。這表明設(shè)置BRB可以提高不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，能夠有效地降低高層建筑結(jié)構(gòu)的自振周期。設(shè)置基礎(chǔ)隔震支座LRB，則可以有效增大結(jié)構(gòu)的自振周期。而對(duì)于設(shè)置基礎(chǔ)隔震支座LRB的高層建筑結(jié)構(gòu)而言，上部增設(shè)BRB同樣能夠降低自振周期。由于上部增設(shè)BRB或LRB后，即方案二、三、四與原結(jié)構(gòu)相比，第1振型扭轉(zhuǎn)質(zhì)量參與系數(shù)均降低，平扭耦聯(lián)效應(yīng)減小，第1、第2振型的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)均減小。方案二、方案三和方案四的周期比同方案一相比也均減小，都小于0.9，符合規(guī)范規(guī)定。方案二的周期比最小，可見(jiàn)合理布置BRB可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭性能，調(diào)節(jié)上部結(jié)構(gòu)偏心，降低結(jié)構(gòu)的周期比效果最明顯。

5 各控制方案時(shí)程分析

采用時(shí)程分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析時(shí)，地震波的選擇非常關(guān)鍵[7]，本文選用EL-centro波（加速度峰值341.7gal，時(shí)間間隔0.02s，持續(xù)時(shí)間30s），Taft波（加速度峰值152.7gal，時(shí)間間隔0.02s，持續(xù)時(shí)間30s），蘭州波（加速度峰值219.7gal，時(shí)間間隔0.02s，持續(xù)時(shí)間16.6s）三種地震波，在進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)加速度時(shí)程曲線峰值需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整[10]。因篇幅限制，只列出EL-centro和Taft波的分析結(jié)果。

表3 各抗震控制方案振型周期和質(zhì)量參與系數(shù)表

1）層間位移角

多遇水平地震作用下該L形不規(guī)則鋼框架四種不同抗震控制方案的X、Y方向樓層最大層間位移角對(duì)比結(jié)果，如圖3、4所示。

圖3 EL-centro波下各控制方案層間位移角

分析以上各方案圖對(duì)比可以得到，原結(jié)構(gòu)的層間位移角比較大，在EL-centro波Y方向，部分層間位移角超限，不滿足規(guī)范要求[10]。方案二、方案三、方案四與方案一原結(jié)構(gòu)相比較，X向、Y向的層間位移角均不同程度減小，且滿足規(guī)范要求。方案二和方案四的層間位移角減小程度與方案三相比更明顯，方案四減小更多。這說(shuō)明對(duì)于較長(zhǎng)自振周期的高層結(jié)構(gòu)而言，通過(guò)合理設(shè)置BRB支撐，可以顯著增強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，降低結(jié)構(gòu)的層間位移角，但若僅僅設(shè)置基礎(chǔ)隔震LRB支座，對(duì)層間位移角的降低程度并不明顯，所以需要先合理地調(diào)節(jié)和增強(qiáng)上部的側(cè)向剛度，再設(shè)置基礎(chǔ)隔震LRB支座，即方案四，便可以達(dá)到顯著地降低層間位移角，表現(xiàn)出BRB支撐和LRB支座聯(lián)合設(shè)置的優(yōu)勢(shì)。

圖4 Taft波下各控制方案層間位移角

2）樓層最大水平位移

多遇水平地震作用下該不規(guī)則鋼框架四種不同抗震控制方案的X、Y方向樓層最大水平位移對(duì)比結(jié)果，如圖5、6所示。

將圖中各控制方案對(duì)比可知，在EL-centro波和Taft波作用下方案二、方案三、方案四與方案一原結(jié)構(gòu)相比較，X、Y向的頂層最大水平位移均不同程度降低，其中方案二與方案四的降低程度最明顯，最大降幅64%，而方案三不顯著，最大降幅僅23%。這說(shuō)明在多遇地震下，具有較長(zhǎng)自振周期的高層結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理設(shè)置BRB支撐增強(qiáng)上部剛度，可以減小樓層水平位移。但若僅僅設(shè)置LRB隔震支座，則不能有效地控制樓層水平最大位移。采用LRB基礎(chǔ)隔震的結(jié)構(gòu)，其水平最大位移集中在隔震層，而如果將LRB基礎(chǔ)隔震與BRB支撐聯(lián)合應(yīng)用，通過(guò)BRB增強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，則可以很好地控制樓層結(jié)構(gòu)的最大水平位移，體現(xiàn)出聯(lián)合使用的優(yōu)勢(shì)。

圖5 EL-centro波下各控制方案樓層水平最大位移

圖6 Taft波下各控制方案樓層最大水平位移

3）樓層剪力

多遇地震作用下該不規(guī)則鋼框架各控制方案的X、Y方向樓層最大剪力對(duì)比結(jié)果，如圖7、8所示。

圖7 EL-centro波下不同控制方案各樓層最大剪力

圖8 Taft波下不同控制方案各樓層最大剪力

根據(jù)上圖結(jié)果對(duì)比可得，方案二與原結(jié)構(gòu)相比，X向和Y向各樓層剪力均不同程度增大，而方案三和方案四X向與Y向各樓層剪力均小于原結(jié)構(gòu)。將方案三隔震結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)層剪力相比，結(jié)構(gòu)水平向減震系數(shù)β在X方向最大分別為0.394、0.389，Y方向分別為0.401、0.396。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中結(jié)構(gòu)隔震后水平向減震系數(shù)β對(duì)應(yīng)的烈度表[10]，隔震后該結(jié)構(gòu)可降低一度按7度（0.15g）進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

以上分析表明在多遇地震下，原結(jié)構(gòu)設(shè)置BRB支撐，增大了結(jié)構(gòu)上部側(cè)向剛度，使各樓層剪力增大。而若在基礎(chǔ)設(shè)LRB，則可削弱傳入上部結(jié)構(gòu)的地震作用，有效地減小各樓層剪力。將LRB與BRB支撐聯(lián)合設(shè)置同樣能夠降低各樓層剪力，兩者聯(lián)合使得上部設(shè)置的BRB支撐受力更均勻，更有利于BRB支撐的耗能。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)多遇地震作用下該L形不規(guī)則高層鋼框架進(jìn)行時(shí)程分析，結(jié)果表明：

1）合理設(shè)置BRB支撐，能夠提高上部結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，調(diào)節(jié)上部結(jié)構(gòu)偏心，減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、自振周期、層間位移角及樓層水平位移，但會(huì)增大各樓層剪力；

2）采用LRB基礎(chǔ)隔震能夠削弱傳入上部結(jié)構(gòu)的地震作用，降低結(jié)構(gòu)的層間位移角、樓層水平位移、各樓層剪力，但會(huì)大大延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期；

3）若將LRB基礎(chǔ)隔震與BRB支撐聯(lián)合設(shè)置，能夠避免單獨(dú)應(yīng)用時(shí)的不足，充分發(fā)揮二者應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足規(guī)范要求，特別對(duì)于高烈度地區(qū)的不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)。