屈曲约束支撑钢筋混凝土框架结构的消能减震分析

朱 江

(沈阳大学 建筑工程学院,辽宁 沈阳 110044)

目前,我国的框架结构主要以钢筋混凝土框架为主,但该结构形式在高烈度区的使用对建筑高度、抗震等级和轴压比[1]62等有严格的要求.设计时若要满足上述要求,结构必然会出现“肥梁胖柱”现象,使结构的工程造价大幅增加造成结构不经济.因此新版抗震规范中提出钢支撑-钢筋混凝土框架以解决上述问题,但是普通钢支撑会出现受压时屈曲问题.因此普通钢支撑在地震载荷作用下,滞回性能差,这会对结构的抗震性能造成较大影响.

近年来国外开发出一种新型支撑称为“屈曲约束支撑”(Buckling restrained brace,BRB),其最早的研究起源于1971日本的 Yoshino[2]30-31对一内藏钢板剪力墙的研究.该支撑是一种新型耗能支撑,其在小震作用下,处于弹性工作状态,与普通支撑相似为结构提供抗侧刚度,从而保证结构满足正常使用要求;在罕遇地震作用下,支撑先于主体框架进入塑性工作状态,产生较大的阻尼,耗散地震输入的大部分能量,迅速衰减结构的动力反应(位移、速度、加速度等)保护主体结构在罕遇地震作用下不受或少受损坏.能够实现“小震经济、中震不坏、大震易修、余震不倒”抗震设防目标[3]30-31.

该种形式支撑目前在国内外已经大量的应用到框架设计中,设计也比较成熟,但主要针对的是钢框架结构,在多高层钢筋混凝土结构中使用及其效果分析研究还较少.国内对于屈曲约束支撑钢筋混凝土框架结构的研究大部分都是针对某一具体工程进行的,并且多围绕使用效果进行分析,没有具体的BRB设计过程,因此造成该种支撑在钢筋混凝土框架中研究体系的不完整.有鉴于此.本文作者利用国际上比较成熟的大型三维结构分析软件SAP2000 建立了9层包含屈曲约束支撑的钢筋混凝土框架计算模型,并对其地震反应进行了初步计算分析,总结得出屈曲约束支撑对减小钢筋混凝土框架结构地震反应的有效性.

1 结构概况

1.1 结构初始参数

该建筑设计为大跨度钢筋混凝土框架结构.结构共9层,总高度32.4 m,层高均为3.6 m,一层地面到基础顶面为0.9 m,柱距7.2 m.建筑所在场地的抗震设防烈度为8度,近震,Ⅲ类建筑场地;罕遇地震下αmax=0.9,多遇地震下αmax=0.16;场地特征周期Tg=0.45 s;结构平面布置具体尺寸见图1.计算取楼板、外墙、楼面均部活载荷为2.0 kN/m2.

图1 框架平面图(单位:mm)Fig.1 Ichnography of frame (unit: mm)

1.2 构件尺寸

梁、柱均为C50混凝土,板为C30混凝土,梁、柱内受力筋为HRB400,箍筋为HRB335.梁、板、柱的设计尺寸见表1.

1.3 原结构多遇地震下抗震性能分析

采用SAP2000v15对原有框架进行多遇地震下的抗震分析,建模时楼板在其自身平面内采用刚性隔板假定,梁柱单元均采用线弹性单元模拟[4].

1.3.1 反应谱分析

反应谱中的振型组合根据中国规范采用耦联法;考虑偶然偏心影响;结构整体阻尼取0.05[1]34.水平地震影响系数最大值αmax=0.16,特征周期Tg=0.45.

表1 梁、板、柱设计尺寸Table 1 Design dimensions of beam,slab and column mm

1.3.2 反应谱分析结果

根据反应谱分析结果,原有结构前三振型周期分别为1.679(X向平动)、1.641(Y向平动)及1.591(扭转),结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.95,结构存在明显的扭转效应[5].

图2为纯框架结构在多遇地震下的层间位移角.从图中可以看到,x向最大层间位移角出现在第5层,为0.002 86,除了第1、8、9层,其他层也已经超出了规范规定的0.001 82的限值.

图2 规范标准反应谱工况下原有结构层间位移角Fig.2 Story drift angle of the original structure in the standard response spectrum conditions

为了使建筑设计能够满足抗震的要求,在结构中增设防屈曲约束支撑,以提高结构的抗侧刚度.

2 屈曲约束支撑布置与选取

2.1 屈曲约束支撑布置

屈曲约束支撑平面布置时应尽量不影响建筑物的使用功能,宜沿主轴两个方向布置并满足结构整体受力的需要[6].竖向布置时布置形式宜采用单斜形和V形(倒V形)布置,不应采用K形或X形,支撑与柱的夹角宜在35°～55°之间.由于原结构的顶层层间位移角远远超过设计要求,因此在顶层未设BRB,支撑的具体布置方案如图3～图4所示.

图3 屈曲约束支撑布置平面(单位:mm)Fig.3 Plane layout of buckling restrained braces(unit: mm)

2.2 屈曲约束支撑选取

(1) 对原结构用反应谱法进行多遇地震下的计算,并提取每层的地震力;

图4 屈曲约束支撑布置立面(单位:mm)Fig.4 Facade layout of buckling restrained braces(unit: mm)

(2) 假定所有斜撑构件拉力与压力的总水平分量占楼层剪力的比例为R;

(3) 根据各楼层BRB布置的数量,计算出每根BRB应承受的轴力.再根据防屈曲支撑设计手册[3]6来选定支撑的屈服承载力,进而得出支撑需要的截面面积.

地震作用下,根据支撑受力分布规律,将支撑分为五种类型,各楼层的BRB截面面积计算结果见表2.

表2中BRB的屈服承载力为考虑材料的超强系数1.15后的数值[3]7.

2.3 模型的建立与地震波的选取

结构计算分析采用CSI的SAP2000软件(中文版V15).建模过程中,对楼板设置为刚性隔板,利用弹塑性连接单元(Plastic)来模拟屈曲约束支撑.

表2 BRB截面积计算结果Table 2 The results of cross-sectional area of BRBs

选取的实测强震记录分别为EL-Centro波、PEL-HOLLYWOOD STORAGE波和兰州波2.在8度区,各地震波加速度峰值取小震70 gal,大震400 gal,分析时间步长0.02 s.结构阻尼比取0.045[1]213.

3 屈曲约束支撑钢筋混凝土框架计算结果及分析

根据模态分析结果,结构的前三振型分别为Y向平动,X向平动和Z向扭转,相应的周期分别为1.037、0.884和0.782 s.扭转周期与两平动周期的比值分别为0.754和0.885,原有结构存在的扭转现象得到较好的缓解.

3.1 多遇地震下的分析

(1) 层间位移角分析.在多遇地震作用下,结构在加入BRB前后X向的各层层间位移角包络如图5(以EL-Centro波为例)所示.从图5看出,未加支撑之前结构的2～7层间位移角超过了0.001 82的规范限值,但加设屈曲约束支撑后,结构的层间位移角除顶层外(无支撑存在)均较原结构有较大的降低,并且均满足0.001 82限值要求,说明BRB对结构提供了较大的侧移刚度,显著降低了楼层侧移.

图5 小震x方向层间位移角Fig.5 x-direction interlayer displacement angle in small earthquakes

(2) BRB轴力分析.多遇地震下BRBF中的BRB所受轴力见表3(以EL-Centro波为例).

表3 多遇地震工况下支撑所受轴力情况Table 3 The brace axial force of small earthquakes

表3中容许的BRB轴力按照文献3给出的公式计算.从表可以看出,在多遇地震作用下,结构中的BRB实际受力均小于其屈服载荷,和普通支撑一样,只给结构提供侧向刚度.

3.2 结构在罕遇地震下的分析

(1) BRB轴力分析

大震下支撑所受轴力较大,更多的屈曲约束支撑达到屈服承载力,开始参与耗能,各层支撑的滞回曲线如图6所示(以PEL-HOLLYWOOD STORAGE波为例).

图6 PEL-HOLLYWOOD STORAGE波作用下支撑滞回曲线Fig.6 The hysteretic loop of brace under the PEL-HOLLYWOOD STORAGE earthquake(a)—1层BRB;(b)—2～3层BRB;(c)—4～5层BRB;(d)—6～7层BRB.

从图6可知,在PEL-HOLLYWOOD STORAGE波作用下,各层支撑均多次屈服,作为第一道抗震设防消耗地震能量的作用已十分明显,并且支撑的滞回曲线越饱满、屈服次数越多,表明支撑吸收的能量越多,地震对主体结构的影响就越小,从而能够减小结构体系的位移.很明显下部楼层的BRB的滞回曲线比上部楼层的饱满,支撑充分的发挥了耗能作用.

(2) 层间位移角分析

图7为结构在罕遇地震下X向层间位移角分布图(以EL-Centro波为例).从图中可以看出,结构各层的层间位移角均有明显降幅.其中结构层间位移角最大值x向为0.005 08,满足规范对该类型结构在罕遇地震下层间位移角小于其规定范围最小值0.012 5的要求[1]213.结构加入BRB后x向层间位移角最大减少量为53.4%.

图7 大震X方向层间位移角Fig.7 X-direction interlayer displacement angle in major earthquakes

4 结 论

本文对一个9层屈曲约束支撑-钢筋混凝土框架结构进行了地震作用效应及抗震性能分析,结论如下:

(1) 通过对纯框架结构、屈曲约束支撑框架结构的抗震分析可以看出,纯框架结构在高烈度区的抗侧刚度较弱,而增设屈曲约束支撑后明显提高了结构的抗侧刚度,使结构的层间位移达到规范规定的要求,为框架结构在高烈度区高度的限制提供了一种有效的解决方法.

(2) 在耗能和承受地震力方面,屈曲约束支撑可以通过受力、耗能确定屈曲支撑约束截面面积,使其满足要求.

(3) 加入的BRB框架结构,其各层的层间位移角比较均匀,能很好的控制框架结构的薄弱部位,同时使BRB物尽所用,做到节约材料和造价经济的目的.

(4) 研究结果表明,屈曲约束支撑设置的楼层越低,减震效果越好,支撑设置的楼层越高,减震效果越差.

(5) 通过合理布置BRB的位置,屈曲约束支撑能够减小或消除结构的扭转效应,并且随着地震作用的增大,效果略有增加.

参考文献:

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

(Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China,General Administration of Quality Supervision,Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China.GB 50011—2010 Code for Seismic Design of Buildings[S].Beijing: China Architecture &Building Press,2010.)

[2] Yoshino T,Karino Y.Experimental Study on Shear Wall with Braces: Part 2 [C]∥Summaries of Technical Papers of Annual Meeting of the Architectural Institute of Japan.Structural Engineering Section 11,Tokyo,Japan,1971.

[3] DBJ/CT105—20ll TJ屈曲约束支撑应用技术规程[S].2011.

(DBJ/CT105—20ll Technical Specification for TJ Buckling Restrained Brace[S].2011.)

[4] 北京金土木软件技术有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社,2008.

(Civil King Software Technology Co.,Ltd.User Guide of Chinese Version of SAP2000[M].Beijing: China Communications Press,2008)

[5] 中华人民共和国建设部.JGJ3—2002高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2002

(Ministry of Construction of People’s Republic of China.JGJ3—2002 Technical Specification for Concrete Structures of Tall Building[S].Beijing: China Architecture &Building Press,2002)

[6] 周云.防屈曲耗能支撑结构设计与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

(Zhou Yun.The Design and Application of Buckling Restrained Brace Structure[M].Beijing: China Architecture &Building Press,2007)