阻尼比和应力应变滞后效应分析

2012-07-30杨明

山西建筑 2012年21期

杨明

(山西省建筑科学研究院，山西太原 030001)

0 引言

由于市场的需求，在混凝土结构上直接进行钢结构加层的越来越多，而且加层工程经常伴随有加固工程。国内外学者对此类加层工程开展了大量的理论分析和实验研究。论文[1]提出在增大截面法加固设计中，应结合工程实际，充分考虑加固柱中应力—应变滞后效应、柱延性和混凝土的轴压比等因素。对于加层结构阻尼比，目前还没有形成成熟的理论，有待进一步的深入研究。在加层工程中，设计人员常简化采用单一阻尼比。JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[2]第11.3.5规定混合结构在多遇地震下的阻尼比可取为0.04。本文将以一钢结构加层工程探讨该加层工程阻尼比和加固柱中应力—应变滞后效应。

1 工程实例

某医院住院楼位于山西省太原市，是一所三级甲等中医医院。主体采用框架—剪力墙结构，地上为8层，局部9层，地下2层，建筑总高为34.200 m，总建筑面积为9 000 m2。

因医院规模的扩大，现对原结构进行钢结构加层。为解决楼层刚度突变问题，决定在钢结构与混凝土结构之间设置设备层，该层采用H型钢混凝土—支撑体系。在此基础上再加建五层钢结构，经多方案对比，最终决定采用钢框架—屈曲约束支撑体系。加层前后结构平面布置基本不变，结构平面布置图见图1。加层后，地上结构总共14层，局部15层(包括设备层)，建筑总高度为49.200 m。

2 加层结构阻尼比探讨

2.1 应变能阻尼理论

魏琏等人[3]介绍了基于应变能的阻尼比计算方法，最终得出如下公式:

其中，ED(i，n)，ES(i，n)分别为加层结构的耗散能和应变能;φin，hn，Kn分别为加层结构的振型位移、阻尼比和刚度矩阵;i，n分别为加层结构的振型数和单元个数。

2.2 加层结构阻尼比探讨

本文采用MIDAS/Gen建立加层结构模型，在分析过程中分别采用应变能阻尼比法和单一阻尼比法进行计算，导出该结构在应变能因子法下前16阶振型的阻尼比，制成散点图，见图2。

从图2可以看出，该加层结构的各阶振型阻尼比均不同，在0.02～0.04之间变化。GB 50011-2010建筑结构抗震规范中规定，混凝土结构的阻尼比应取0.05，多高层钢结构房屋中根据高度不同取值不同，最小取0.02。而对在混凝土结构顶部进行钢结构加层的建筑并未明确规定其阻尼比取值。在前16阶振型中，振型1，2，4和5的阻尼比介于0.02与0.05之间，并与它们的平均数很接近，说明此时混凝土和钢结构的应变能相当。其余各振型的阻尼比围绕0.035发生波动，这是由于不同振型中混凝土与钢结构参与振动的贡献不同，它们的应变能此消彼长。

图3为采用不同阻尼比计算方法得到的多遇地震作用下各个楼层剪力对比图。从中不难发现，在上部楼层两种方法得到的楼层剪力相差甚微，在底部楼层剪力相差最大，且采用应变能方法楼层剪力较大，采用单一阻尼比法，结构是偏于不安全的。因此建议在加层结构设计中，应采用应变能因子法计算结构阻尼比，使结构设计更加合理、安全。

3 应力—应变滞后效应分析

本工程采用先加层后加固，对原混凝土结构角柱采用增大截面法，长短边各增大150 mm，对边柱也采用增大截面法，框架平面内对应的边长增大150 mm，新增混凝土应比原混凝土高一个标号。

本文采用ANSYS软件对该工程中增大截面法加固柱进行模拟分析，分析所用柱为该工程中第7层钢筋混凝土边柱，截面尺寸为500 mm×500 mm，单边加固后为500 mm×650 mm，柱高为3 600 mm。有限元模型中混凝土柱采用Solid65单元模拟，单元网格划分按等数量划分，有限元模型见图4。边界条件简化为一端固定，另一端自由，并采用两个加载步来模拟实际受力情况，分别为在竖向力作用下的应力应变来模拟加固前受力状态，在水平力和竖向力同时作用下的应力应变模拟加固后受力状态。

分析结果表明，加固构件有着与普通构件不同的受力性能。增大截面法加固柱作为二次受力构件，加固前原构件已经受力，原构件截面具有初始应力和变形，当采用增大截面法加固柱后，而新加部分此时并不立即参与工作，应力和变形为零(见图5，图6);此后在新增荷载下，才开始逐渐受力和发生变形(见图7，图8)，而且新加部分的应力—应变始终滞后于原结构的累计应力应变，可见新加部分和原结构的共同工作性较差。有必要通过加强构造措施来增强它们的共同工作性能，尤其在不卸载的加固工程中，在设计过程中应高度重视。