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        新型屈曲約束支撐鋼框架體系耗能有限元分析

        2021-03-22 09:43:56蔡天元楊艷敏謝曉娟孟祥琨
        北方建筑 2021年1期
        關(guān)鍵詞:頂層框架結(jié)構(gòu)屈曲

        蔡天元,楊艷敏*,謝曉娟,王 鵬,孟祥琨,熊 瑛

        (1:吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130118;2:吉林省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院,吉林 長(zhǎng)春 130011)

        0 引言

        屈曲約束支撐(BRB)是一種耗能優(yōu)良的支撐構(gòu)件,許多工程將支撐運(yùn)用于框架,組成屈曲約束支撐框架[1]。針對(duì)傳統(tǒng)屈曲約束支撐自重大、構(gòu)造復(fù)雜與造價(jià)高等問題, 筆者提出了一種切削十字型屈曲約束支撐,其填充材料采用輕骨料混凝土,有效降低支撐自重。與傳統(tǒng)支撐相比,通過切削工藝,將核心段削薄,節(jié)省材料,使支撐的端部和核心部分同時(shí)發(fā)生破壞。為避免端部過早出現(xiàn)應(yīng)力集中破壞,在屈曲約束支撐過渡段采用25 °斜坡。且該屈曲約束支撐構(gòu)造簡(jiǎn)單,均為地域性材料,減少運(yùn)輸費(fèi)用及降低成本,制作方便。

        本文通過SAP2000 有限元分析軟件對(duì)某鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下時(shí)程分析, 通過對(duì)比原結(jié)構(gòu)和增設(shè)新型屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)層間位移角、頂點(diǎn)位移、頂點(diǎn)加速度,研究新型屈曲約束支撐對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響。

        1 支撐設(shè)計(jì)

        新型切削十字型屈曲約束支撐以輕骨料混凝土(1 650 kg/m3~1 850 kg/m3)作為填充材料,有效降低了自重。角鋼采用切削工藝,核心單元由2 根角鋼直接對(duì)焊設(shè)計(jì)而成。核心段采用點(diǎn)焊形式,有效減少焊接殘余應(yīng)力。支撐長(zhǎng)為1 300 mm,外包鋼套管長(zhǎng)為950 mm,截面尺寸100 mm×100 mm×2.5 mm,試件尺寸如圖1 所示。

        圖1 BRB 試件尺寸圖(mm)

        連接段橫截面面積分別為耗能段橫截面面積的1.5 倍和2.1 倍,確保芯材核心耗能段達(dá)到塑性階段時(shí)連接端仍處于彈性階段。連接段和核心耗能段之間設(shè)25 °平緩過渡段[2],減少截面突變產(chǎn)生的應(yīng)力集中。在過渡段粘貼泡沫塑料,保證芯材在拉壓作用下能夠縱向自由伸縮。芯材中段設(shè)置限位卡,防止約束單元沿豎向發(fā)生剛體位移。限位卡與核心段截面坡角采用16 °進(jìn)行過渡, 避免此處產(chǎn)生較為嚴(yán)重的集中應(yīng)力。

        2 鋼框架設(shè)計(jì)

        設(shè)計(jì)1 棟5 層鋼框架結(jié)構(gòu)模型,通過運(yùn)用SAP2000 有限元軟件,對(duì)未加支撐的原結(jié)構(gòu)模型與增設(shè)新型屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元模擬分析,研究新型屈曲約束支撐對(duì)框架抗震性能的影響。模型尺寸相同,均為5 層一字型鋼框架,各層層高均為4 m,結(jié)構(gòu)總高度為20 m,結(jié)構(gòu)平面圖如圖2 所示。梁柱均采用Q235H 型鋼,連接方式均采用剛性連接,樓板混凝土等級(jí)為C30。

        主要構(gòu)件尺寸見表1,設(shè)計(jì)地震分組為第1 組,場(chǎng)地類別為II 類,結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防8 度,雪荷載0.40 kN/m2,基本風(fēng)壓0.3 kN/m2,1 層~5 層恒荷載均為5 kN/m2,1 層~4 層活荷載為2 kN/m2,頂層活荷載為0.5 kN/m2。結(jié)構(gòu)立面圖如圖3 所示。

        表1 框架結(jié)構(gòu)尺寸mm

        圖2 結(jié)構(gòu)平面圖(mm)

        圖3 結(jié)構(gòu)立面圖(mm)

        3 時(shí)程分析

        3.1 地震波選取

        地震波具有很強(qiáng)的隨機(jī)性,采用不同的地震波進(jìn)行分析時(shí),即使在峰值加速度相同,計(jì)算結(jié)果仍會(huì)存在很大偏差。為使計(jì)算結(jié)果更加合理,要求選取的地震波不少于2 組實(shí)際強(qiáng)震記錄和1 組人工波[3],本文共選取3 條地震波用于結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析,分別為2 條天然波Kobe 波(簡(jiǎn)稱KB 波)、WenChuan波(簡(jiǎn)稱WC 波)和1 條人工波LanZhou 波(簡(jiǎn)稱LZ波)。時(shí)程分析是更為真實(shí)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析,并且可以輸出地震作用下每一時(shí)刻的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移響應(yīng)的全過程[4]。本文通過運(yùn)用SAP2000 有限元軟件在3 種地震波作用下對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)與支撐框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下時(shí)程分析, 通過測(cè)量結(jié)構(gòu)層間位移、頂層位移及頂層加速度,研究新型屈曲約束支撐對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

        3.2 層間位移角

        根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011—2010(2016 版)[5]要求,在多遇地震下,地震波峰值加速度采用0.07 g/s2。結(jié)構(gòu)在3 種地震波作用下的層間位移角如圖4~圖6 所示。

        由圖4~圖6 可知,兩結(jié)構(gòu)層間位移角曲線發(fā)展趨勢(shì)較為一致,每組地震作用下層間位移角最大值均滿足限值要求,層間位移角最大值都出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中間層,支撐-框架結(jié)構(gòu)層間位移角略小于鋼框架結(jié)構(gòu)。

        圖4 KB 波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角曲線

        圖5 WC 波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角曲線

        圖6 LZ 波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角曲線

        3.3 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移

        2 條天然波的持時(shí)設(shè)定為20 s,由于在人工波作用10 s 以后位移值趨于0,所以取其前10 s 進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)在3 種地震波作用下的頂層位移如圖7~圖9 所示,圖中橫坐標(biāo)表示時(shí)間,s;縱坐標(biāo)表示頂層位移,mm。

        由圖7~圖9 可知,兩結(jié)構(gòu)在3 種地震波作用下頂點(diǎn)位移曲線發(fā)展趨勢(shì)較為一致,每組地震作用下BRB-KJ 結(jié)構(gòu)頂層位移最大值較KJ 結(jié)構(gòu)均有明顯減小,且BRB-KJ 結(jié)構(gòu)頂層位移達(dá)到峰值的時(shí)間均滯后于KJ 結(jié)構(gòu)。

        3.4 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)加速度

        2 條天然波的持時(shí)設(shè)定為20 s,由于在人工波作用10 s 以后位移值趨于0,所以取其前10 s 進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)在3 種地震波作用下的頂層加速度如圖10~圖12 所示,圖中橫坐標(biāo)表示震動(dòng)持續(xù)時(shí)間,s;縱坐標(biāo)表示結(jié)構(gòu)頂層加速度,g。

        由圖10~圖12 可知,兩結(jié)構(gòu)在3 種地震波作用下頂點(diǎn)加速度發(fā)展趨勢(shì)較為一致,每組地震作用下BRB-KJ 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)加速度最大值較KJ 結(jié)構(gòu)均有明顯減小,且BRB-KJ 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)加速度達(dá)到峰值的時(shí)間均滯后于KJ 結(jié)構(gòu)。

        圖7 KB 波作用下結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線

        圖8 WC 波作用下結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線

        圖9 LZ 波作用下結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線

        圖10 KB 波作用下結(jié)構(gòu)頂層加速度時(shí)程曲線

        圖11 WC 波作用下結(jié)構(gòu)頂層加速度時(shí)程曲線

        圖12 LZ 波作用下結(jié)構(gòu)頂層加速度時(shí)程曲線

        4 結(jié)論

        本文運(yùn)用SAP2000 有限元軟件在多遇地震作用下進(jìn)行抗震性能分析,研究切削型屈曲約束支撐對(duì)鋼框架抗震性能的影響,得出以下結(jié)論。

        1)結(jié)構(gòu)均在中間層出現(xiàn)最大層間位移角,支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)最大層間位移角為0.01,小于鋼框架結(jié)構(gòu)最大層間位移角0.016,可見增加新型屈曲約束支撐能有效提高結(jié)構(gòu)剛度。

        2)支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)中的頂層位移和頂層加速度達(dá)到峰值的時(shí)間大多都滯后于鋼框架結(jié)構(gòu),并且前者頂層位移和頂層加速度較鋼框架結(jié)構(gòu)減小35.8%和43.7%,說明屈曲約束支撐可以有效減小動(dòng)力響應(yīng),起到耗能減震的作用。

        3)加設(shè)新型屈曲約束支撐鋼框架結(jié)構(gòu)在WenChuan 波下頂點(diǎn)位移、頂點(diǎn)加速度等抗震參數(shù)較原鋼框架結(jié)構(gòu)減少最明顯,可見新型屈曲約束支撐在WenChuan 波能可發(fā)揮最大作用。

        4)切削十字型屈曲約束支撐采用輕骨料混凝土為填充材料,有效降低了自重,且造價(jià)低廉,構(gòu)造簡(jiǎn)單,可應(yīng)用于實(shí)際工程。

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