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        某高層型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)基于性能的消能減震加固方案研究*

        2023-12-19 02:59:32馬士奇
        工業(yè)建筑 2023年10期
        關(guān)鍵詞:阻尼比層間抗震

        吳 邁 馬士奇 趙 欣

        (1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院, 天津 300401; 2.九易莊宸科技(集團(tuán))股份有限公司, 石家莊 050000)

        0 引 言

        2016年天津市建委市地震局頒布“津建設(shè)〔2016〕256號”文件,深入貫徹執(zhí)行GB 18036—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》,明確要求2016年6月30日后,報送施工圖審查的設(shè)計文件嚴(yán)格執(zhí)行GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016版)[1]要求,將設(shè)防烈度為7度(0.15g)分區(qū)提高至8度(0.2g),并且指出醫(yī)療建筑中的住院用房,對于地震下承載力設(shè)計及設(shè)防地震、罕遇地震下進(jìn)行相關(guān)驗算時,地震作用按地震動峰值加速度提高至0.30g取值。對于一些正在施工建設(shè)且無法重返圖紙的建筑,采用消能減震的加固手段不僅可以在不改變原結(jié)構(gòu)體系及配筋的情況下使得建筑擁有更高的性能目標(biāo),而且當(dāng)減震結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)不到非減震結(jié)構(gòu)50%以上時,結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施可降低一度[2]。

        近年來國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),一些采用消能減震技術(shù)設(shè)計及加固的建筑獲得了良好的抗震性能。2012年,李英民等基于性能的設(shè)計方法將黏性阻尼器應(yīng)用于醫(yī)院綜合體的抗震改造中,將設(shè)防地震和罕遇地震下位移角控制在1/550和1/200,實現(xiàn)“中震不壞”和“大震可修”[3];李霆等在武漢保利廣場連體高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計中,在主樓和副樓層間位移角較大位置布置黏滯阻尼器,減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)振和地震反應(yīng),并制作了1∶35比例的縮尺模型進(jìn)行振動臺試驗,通過對比動力彈塑性反應(yīng)證明了減震設(shè)計在結(jié)構(gòu)中的可行性[4-5]。2017年,Hamdy等通過研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)防屈曲支撐加固后的結(jié)構(gòu)抗剪承載能力相比原結(jié)構(gòu)有較大的提升,但是由于結(jié)構(gòu)剛度增大,地震能量輸入增加,傳遞給底層框柱的軸力增加,導(dǎo)致框柱和基礎(chǔ)需要進(jìn)行額外加固[6]。2018年Alejandro等將防屈曲支撐應(yīng)用于某工業(yè)建筑的抗震加固中,實現(xiàn)了把結(jié)構(gòu)的損壞集中在某些特定部位,使得結(jié)構(gòu)的損傷行為具有預(yù)測性[7]。2020年,代曉艷等將防屈曲支撐應(yīng)用到某單跨長寬比超限的框架結(jié)構(gòu)抗震加固中,加固后結(jié)構(gòu)的周期比及構(gòu)件承載力均滿足規(guī)范[1]要求,結(jié)構(gòu)的層間位移角曲線相比于加固前變化更為均勻,說明加固后結(jié)構(gòu)的豎向不規(guī)則性也得到了明顯改善[8]。

        目前,在結(jié)構(gòu)減震加固設(shè)計中仍較多采用傳統(tǒng)的“三水準(zhǔn)”(小震不壞、中震可修和大震不倒)設(shè)防目標(biāo),且結(jié)構(gòu)中采用哪種消能減震方案加固效果更佳,仍沒有嚴(yán)格的定論[9-11]。為探究高層超限結(jié)構(gòu)在地震作用下采用哪種消能減震加固方式效果更理想,本文以位于天津市津南區(qū)的某醫(yī)院住院用房加固項目為工程背景,考慮多遇、設(shè)防、罕遇地震作用,從結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)、耗能情況、結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能等方面,研究采用位移型消能器加固、速度型消能器加固以及聯(lián)合減震加固三種消能減震加固方案在高層結(jié)構(gòu)加固中的減震效果。

        1 工程概況

        該結(jié)構(gòu)設(shè)計于2015年,為型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)總高度為43.550 m,共11層,典型柱距7.8 m,其中首層層高5.4 m,2、3層層高5.1 m,其余各層層高4.0 m,建筑面積26 254.8 m2。原結(jié)構(gòu)設(shè)計抗震設(shè)防烈度和設(shè)計基本地震加速度為7度(0.15g),場地土類別為Ⅲ類,設(shè)計地震分組為第二組,多遇地震、設(shè)防地震場地特征周期為0.55 s,罕遇地震為0.60 s,抗震設(shè)防類別為乙類,框架抗震等級為一級?,F(xiàn)由于抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的改變,此建筑的高度不能滿足型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有設(shè)防烈度8度(0.30g)下的A級適用高度35 m的限值要求;建筑長寬比L/B=117/20.4=5.735>5.0,且無防震縫,不滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[12]第3.4.3限值的要求。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的反應(yīng)譜分析,結(jié)果顯示:結(jié)構(gòu)東側(cè)底層框架柱節(jié)點域剪壓比超限;X向和Y向最大層間位移角分別為1/419和1/374,均超過了型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)地震損傷開裂點處位移角的限值。針對該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)上述系列問題,可通過在結(jié)構(gòu)中合理地布設(shè)消能器,在保障原結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施不變的前提下,提高結(jié)構(gòu)的抗震性能,使得主體結(jié)構(gòu)在地震作用下退居第二道防線。圖1為該建筑的三維結(jié)構(gòu)模型。

        圖1 三維結(jié)構(gòu)模型

        2 減震性能目標(biāo)

        根據(jù)建筑的使用功能設(shè)定相應(yīng)的性能目標(biāo)可以有效地控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷,如醫(yī)院、學(xué)校、應(yīng)急控制中心等人口密集的建筑場所(Ⅲ類建筑[13]),地震后使用功能必須在短期內(nèi)恢復(fù)或在震后運行起到關(guān)鍵作用。本項目如果仍采用傳統(tǒng)“小震不壞、中震可修和大震不倒”的設(shè)防目標(biāo),一旦遭受罕遇地震建筑物內(nèi)醫(yī)療器械等將會遭到損壞,從而影響到人員救治,導(dǎo)致進(jìn)一步擴(kuò)大人員的傷亡。因此有必要對該建筑的使用功能和構(gòu)件的損壞程度作定性的描述,使該結(jié)構(gòu)的設(shè)防目標(biāo)高于常規(guī)建筑的抗震設(shè)防目標(biāo)。表1參照文獻(xiàn)[1,13],并結(jié)合建筑的使用功能,以層間位移角及結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件在不同水準(zhǔn)地震作用下的塑性發(fā)展作定性描述,制定出適用于該結(jié)構(gòu)功能的具體的減震性能目標(biāo)。

        表1 結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)

        3 結(jié)構(gòu)消能減震加固設(shè)計

        3.1 減震方案初選

        為了解該結(jié)構(gòu)在地震作用下采用哪種消能減震加固方案效果更好,在7度原結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上,在多遇地震工況下分別采用“增設(shè)等代斜撐”“設(shè)置結(jié)構(gòu)阻尼比”等方式模擬結(jié)構(gòu)設(shè)置位移型消能器和速度型消能器。表2對比了不同結(jié)構(gòu)模型的多遇地震反應(yīng)譜分析得到最大層間位移角、結(jié)構(gòu)總阻尼比等指標(biāo)。其中方案1~3分別表示“位移型消能器加固結(jié)構(gòu)”“速度型消能器加固結(jié)構(gòu)”“位移型和速度型消能器聯(lián)合加固結(jié)構(gòu)”。

        表2 加固方案對比

        結(jié)構(gòu)總阻尼比=結(jié)構(gòu)初始阻尼比+附加阻尼比。

        3.2 消能器的選擇及布置方案

        該結(jié)構(gòu)加固采用的位移型阻尼器為防屈曲支撐(Buckling Restrained Brace,簡稱“BRB”),其恢復(fù)力模型采用雙折線模型,強(qiáng)化準(zhǔn)則為隨動強(qiáng)化。BRB的參數(shù)如下:1)1~3層BRB1,支撐凈長度范圍3.0~3.5 m,芯材牌號為Q235,屈服承載力3 500 kN,極限承載力5 250 kN,屈服后剛度比0.01;2)4~10層BRB2,支撐凈長度范圍2.5~3.0 m,芯材牌號為Q235,屈服承載力2 500 kN,極限承載力3 750 kN,屈服后剛度比0.01。

        速度型阻尼器采用墻式黏滯阻尼器(Viscous Damper,簡稱“VD”),其恢復(fù)力模型采用Kelvin模型,在模型構(gòu)件設(shè)定中,U2和U3方向為消能器的出力方向,考慮到實際工程中消能器受到其連接構(gòu)件的影響,本文在模型參數(shù)設(shè)定中輸入初始剛度為10 kN/m。VD的參數(shù)如下:1)1~10層X向VD-X,黏滯阻尼系數(shù)1 300 kN·(m/s)-α,阻尼指數(shù)0.4,阻尼力1 200 kN,最大行程±100 mm,極限速度0.8 m/s;2)1~10層Y向VD-Y,黏滯阻尼系數(shù)800 kN·(m/s)-α,阻尼指數(shù)0.4,阻尼力700 kN,最大行程±100 mm,極限速度0.7 m/s。

        方案1中BRB數(shù)量為400根(X向布置160根、Y向布置240根),預(yù)期設(shè)防地震下BRB進(jìn)入耗能狀態(tài);方案2中VD布置180道(X向布置60道、Y向布置120道),預(yù)期多遇地震下即刻進(jìn)入耗能狀態(tài);方案3中BRB布置160根(X向布置80根、Y向布置80根)、VD布置80道(X向布置20道、Y向布置60道),預(yù)期多遇地震下VD進(jìn)入耗能狀態(tài),設(shè)防地震下BRB進(jìn)入耗能狀態(tài),多遇地震作用下VD和BRB共同耗能。3種方案消能器均為1~10層連續(xù)布置。表3對比了布置消能器后的3種加固方案的結(jié)構(gòu)前6階自振周期。以標(biāo)準(zhǔn)層4層為例,方案1~3消能器平面布置見圖2,布置消能器后的整體結(jié)構(gòu)模型見圖3。

        表3 模型前6階自振周期對比

        a—方案1(BRB); b—方案2(VD); c—方案3(BRB和VD)。

        a—方案1; b—方案2; c—方案3。

        4 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)

        應(yīng)用SAUSAGE軟件,線單元(梁、柱和斜撐)在全長度采用精細(xì)的截面纖維積分策略,面單元(樓板)采用精細(xì)的分層積分策略,通過精細(xì)的材料點應(yīng)力-應(yīng)變彈塑性狀態(tài)分析,使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈塑性分析結(jié)果更具客觀性和準(zhǔn)確性,避免了常見的構(gòu)件宏觀彈塑性模型中彈塑性機(jī)制人為預(yù)設(shè)過多和粗糙失真等問題。

        4.1 地震波選擇

        為更深入地掌握結(jié)構(gòu)的抗震性能,進(jìn)行非線性動力時程分析。依據(jù)抗震規(guī)范以及本建筑所處場地區(qū)域的地震烈度和場地類別,分別對具有不同自振周期的加固前后結(jié)構(gòu)模型選取各自對應(yīng)的地震波,為避免選波的偶然性,多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震下均采取7條地震波(5條天然波和2條人工波)進(jìn)行驗算。表4以原結(jié)構(gòu)為例列舉出地震波信息,圖4為各不同地震波輸入下原結(jié)構(gòu)地震波頻譜分析結(jié)果,滿足在主要周期點上與反應(yīng)譜曲線差別不大于20%的要求。

        表4 地震波信息

        RGB1和RGB2 為 SAUSAGE 軟件生成人工波;TRB1為天然波 1(LANDERS 6-28-1992 NORTH PALM SPRINGS FIRE STA);TRB2為天然波 2(IMPERIAL VALLEY-06 10-15-1979 CALIPATRIA FIRE);TRB3為天然波 3(EL MAYOR-CUCAPAH 4-4-2010 MICHOACAN DE OCAMPO);TRB4為天然波 4(CHUETSU-OKI 7-16-2007 SANJO);TRB5為天然波 5(TH081TG055_PARKFIELD-02 CA 9-28-2004 PARKFIELD - RED HILLS)。

        4.2 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

        限于篇幅,僅以結(jié)構(gòu)的弱軸方向(Y向)為例,對比原結(jié)構(gòu)以及3種采用消能減震加固方案的結(jié)構(gòu)模型在多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震作用下的層間位移角,計算結(jié)果參見圖5。圖6以人工波RH2為例,繪制了不同工況在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)弱軸方向(Y向)的頂點位移時程曲線。從圖5中可以看出,3種方案均能夠有效控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形,采用3種方案加固后結(jié)構(gòu)Y向多遇地震下的最大層間位移角由1/510(原結(jié)構(gòu))分別減小為1/781(方案1)、1/1071(方案2)和1/877(方案3),其中采用VD加固結(jié)構(gòu)(方案2),多遇地震下最大層間位移角減小52.4%,減震效果最好;設(shè)防地震下3種加固方案對于層間位移角的控制相近,但是罕遇地震下結(jié)構(gòu)最大層間位移角由1/36(原結(jié)構(gòu))分別減小為1/208(方案1)、1/145(方案2)和1/250(方案3)。從圖6中可以看出,罕遇地震作用下對于結(jié)構(gòu)頂點位移的控制,方案3優(yōu)于方案1,方案1優(yōu)于方案2。

        a—多遇地震; b—設(shè)防地震; c—罕遇地震。

        綜合來看,罕遇地震下方案2對于結(jié)構(gòu)變形的控制相比方案1和方案3較差,此時結(jié)構(gòu)的層間位移角超過了框架結(jié)構(gòu)可修復(fù)層間位移角1/150的限值,說明地震波峰值較大時,該建筑采用VD無法取得預(yù)期的減震效果;采用方案3對于結(jié)構(gòu)上部的變形控制效果更好。

        4.3 結(jié)構(gòu)耗能情況

        消能器在地震作用下會作為第一道防線進(jìn)入耗能狀態(tài),當(dāng)消能器的出力或位移超過規(guī)定限值時需要及時更換。圖7~9以人工波RH2為例,繪制了3種方案模型中耗能最大的消能減震元件的典型滯回曲線,方案1中BRB最大出力3 614.87 kN,最大行程23.91 mm;方案2中VD最大出力970.87 kN,最大行程59.14 mm,最大速度0.482 m/s;方案3中BRB最大出力3 609.09 kN,最大行程22.99 mm,VD最大出力-916.21 kN,最大行程-39.25 mm,最大速度0.417 m/s。罕遇地震人工波RH2工況下3種方案的消能器均處于正常工作狀態(tài),未發(fā)生破壞。

        圖7 方案1模型消能器滯回曲線

        圖8 方案2模型消能器滯回曲線

        a—BRB滯回曲線; b—VD滯回曲線。

        表5列出了不同方案在地震作用下的能量耗散情況,可以看出無論增設(shè)哪種消能器,均能夠避免主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件在多遇地震下過早進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。對比方案1和方案3,結(jié)構(gòu)中的BRB隨著地震作用的增大耗能效果隨之提升,但由于方案3中有VD存在,且在多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震下均參與耗能,結(jié)構(gòu)的總阻尼比更大,耗能效果更好;對比方案2和方案3,結(jié)構(gòu)中無論是否單獨布置VD,隨著地震作用的增大,VD提供給結(jié)構(gòu)的附加阻尼比會逐步減小。

        表5 能量耗散情況

        附加阻尼比=(消能器非線性耗能×主結(jié)構(gòu)阻尼比)/主結(jié)構(gòu)模態(tài)耗能。

        實際工程應(yīng)用中,設(shè)計師會根據(jù)行業(yè)習(xí)慣、項目經(jīng)驗及對不同工程類型的判斷,對減震效果進(jìn)行保守估計、做適當(dāng)折減。本文所研究內(nèi)容為純理論模擬,以探討方案的可性能,因此未對減震效果進(jìn)行折減。

        4.4 結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)

        圖10為原結(jié)構(gòu)模型、方案1~3結(jié)構(gòu)模型在罕遇地震作用下的構(gòu)件性能狀態(tài)。在罕遇地震作用下,原結(jié)構(gòu)模型中個別框架梁存在嚴(yán)重破壞,多數(shù)框架柱為中度破壞,且底層框架柱達(dá)到了重度破壞;采用消能減震加固方案1~3,梁、柱的破壞程度均明顯好轉(zhuǎn),但是方案1和方案3的加固效果明顯優(yōu)于方案2。表6結(jié)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能狀態(tài)、結(jié)構(gòu)側(cè)向變形以及文獻(xiàn)[1]中第3.10.3條對該結(jié)構(gòu)做出性能評價,按照方案1和方案3加固結(jié)構(gòu),能夠達(dá)到性能2的要求,即滿足Ⅲ類建筑在地震作用下的性能目標(biāo)。

        a—梁構(gòu)件; b—柱構(gòu)件。

        表6 3種方案總體性能評價

        5 結(jié) 論

        1)采用方案1(BRB)、方案2(VD)、方案3(BRB+VD)均能有效地控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)向變形,多遇地震下結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g位移角由1/510(原結(jié)構(gòu))減小為1/781(方案1)、1/1 071(方案2)和1/877(方案3),其中多遇地震下采用VD加固結(jié)構(gòu)(方案2),層間位移角減小52.4%,減震效果最好;但在設(shè)防地震和罕遇地震作用下,采用方案1和方案3更具有優(yōu)勢,罕遇地震下結(jié)構(gòu)最大層間位移角由1/36(原結(jié)構(gòu))減小為1/208(方案1)、1/145(方案2)和1/250(方案3),此時方案2結(jié)構(gòu)的層間位移角超過了鋼筋混凝土框架可修復(fù)層間位移角1/150的限值,減震效果較差。

        2)增設(shè)消能器后,附加阻尼比中結(jié)構(gòu)彈塑性耗能比例減小,罕遇地震下X向彈塑性耗能占比由3.8%(原結(jié)構(gòu))減小到0.6%(方案1)、2.5%(方案2)和0.5(方案3);罕遇地震下Y向彈塑性耗能占比由4.0%(原結(jié)構(gòu))減小到0.6%(方案1和方案3)和2.8%(方案2)。罕遇地震人工波RH2工況下3種方案的消能器均處于正常工作狀態(tài),未發(fā)生破壞。

        3)采用方案2加固該結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到性能3的減震目標(biāo),但不能滿足該建筑在罕遇地震下的不間斷運行的要求;采用方案1和方案3加固結(jié)構(gòu)均能達(dá)到性能2的減震目標(biāo),但是結(jié)合對結(jié)構(gòu)弱軸方向頂點位移的控制可以看出,方案3聯(lián)合減震加固效果要優(yōu)于方案1的單一消能減震效果。

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