框架—带防屈曲支撑钢连梁筒体结构抗震性能分析



框架—带防屈曲支撑钢连梁筒体结构抗震性能分析

主要研究新型建筑结构及建筑工程防灾减灾。

孙维东1,2，李康1,2

(1.长春工程学院土木工程学院； 2.吉林省防灾减灾重点实验室，长春 130012)

摘要：为分析框架—带防屈曲支撑钢连梁筒体结构的抗震性能，以某框筒结构模型为例，其中筒体部分分别采用了全部楼层为普通钢筋混凝土连梁、全部楼层设有普通钢桁架连梁、全部楼层设有带防屈曲支撑钢桁架连梁及局部侧移较大楼层设有带防屈曲支撑钢桁架连梁的4种方案，运用动力弹塑性时程分析方法，分析了4种方案在罕遇地震作用下的地震响应。计算结果表明，在全部楼层中设有带防屈曲支撑的钢桁架连梁方案与全部楼层均为普通钢筋混凝土连梁的方案和全部楼层设有普通钢桁架连梁的方案相比，结构的位移、速度、加速度以及底部总剪力都有不同程度的降低，只在局部侧移较大的楼层布置带防屈曲支撑钢桁架连梁方案与全楼层布置带防屈曲支撑钢桁架连梁方案相比，地震响应相差不大，也能起到较好的减震效果。

关键词：防屈曲支撑；钢桁架连梁；时程分析；地震响应；减震效果

0引言

混凝土剪力墙中的连梁一般跨度小、截面高，很容易出现脆性破坏，为此，国内外学者研究了各种混凝土连梁型式，但混凝土连梁普遍存在自重大、承载力低、延性不足、耗能能力有限等缺点[1]。近年来，国外学者提出采用实腹钢连梁代替混凝土连梁的解决方案，经过大量的试验和理论研究结果表明：合理设计的钢连梁具有足够的强度、刚度和韧性，钢连梁与混凝土墙肢组成的混合剪力墙结构体系具有良好的抗震性能；钢连梁可以避免混凝土连梁复杂的配筋及构造措施，降低了施工难度与成本，而且可在震后进行维修及更换[2]，美国和加拿大等发达国家已推出了相应的设计规范或设计建议[3]。2003年我国广西大学邓志恒[4]教授提出了钢桁架连梁结构体系，将连梁设计成由热轧型钢或焊接型钢组成的桁架，在桁架中间支撑上设置摩擦耗能阻尼控制装置。钢桁架连梁较实腹钢连梁自重轻，附加的阻尼装置可以更加有效地实现耗能减震，但摩擦阻尼器尚存在某些缺点，如无自复位能力，摩擦面在长期的静接触过程中会产生冷黏结或冷凝固，滑动面摩擦力会产生退化等问题[5]。

在国内外连梁研究的基础上，本文作者提出了带防屈曲支撑的钢连梁结构型式[6]，这种钢连梁仍然采用热轧型钢或焊接型钢组成的桁架结构型式，但桁架部分或全部杆件采用防屈曲支撑，防屈曲支撑既可作为连梁在正常使用阶段的受力杆件，又可在大震发生时发挥良好的延性和耗能能力。防屈曲支撑造价低、耗能好，具有很稳定的滞回特性和很好的低周疲劳特性，对环境和温度的适应性强，具有长期性能稳定的优点[7]。目前对于防屈曲支撑的研究已经比较成熟，已成功应用于体育场馆、写字楼等框架结构中。为研究带防屈曲支撑钢连梁的抗震性能，课题组已完成了两种防屈曲支撑布置方案的钢桁架试件的拟静力试验[8]，试验研究结果表明，带防屈曲支撑的钢桁架在低周反复荷载作用下具有较高的承载力；滞回曲线饱满，等效黏滞系数超过0.3，试件具有很好的耗能能力；带防屈曲支撑钢桁架后期承载力下降段较长且平缓，刚度退化较缓慢，体现了带防屈曲支撑钢桁架延性很好的特点[8]。

为分析框架—带防屈曲支撑钢连梁筒体结构的减震效果，本文以某框筒结构模型为例，其中筒体部分分别采用了全部楼层为普通钢筋混凝土连梁、全部楼层设有普通钢桁架连梁、全部楼层设有带防屈曲支撑钢桁架连梁及局部侧移较大楼层设有带防屈曲支撑钢桁架连梁的4种方案，运用动力弹塑性时程分析方法，分析了4种方案在罕遇地震作用下的地震响应，以比较不同连梁型式及布置方案剪力墙结构型式的减震效果。

1计算模型及分析方案

1.1计算模型

计算模型采用一规则的框架—核心筒结构，共25层，1～2层层高为4.2 m，3～25层层高为3.9 m，共98.1 m，筒体每层在C轴和E轴洞口宽为3.0 m，高为2.4 m(一、二层2.7 m)，其余部位洞口宽2.0 m，与C轴和E轴处洞口同高，楼层结构平面布置如图1所示。本模型按8度抗震设防烈度(加速度0.20g)，场地类别取Ⅱ类。构件截面尺寸、材料见表1。荷载标准值：1～24层楼面恒荷载取4 kN/m2，活荷载取2.5 kN/m2；第25层的恒荷载取7 kN/m2，活荷载取2.0 kN/m2；1～24层周边框架梁上线荷载标准值取8 kN/m，25层周边框架梁上线荷载取3 kN/m。

表1　计算模型各构件截面尺寸、材料表

1.2分析方案

计算模型采用4种连梁设置方案，计算模型结构平面布置图如图1所示，方案1(CASE1)：全部采用普通钢筋混凝土连梁型式，C轴和E轴连梁跨度为3.0 m、高为1.5 m，厚度与同层筒体墙厚相同，其余洞口连梁跨度为2.0 m、高为1.5 m；方案2(CASE2)：筒体C轴和E轴处全部楼层采用普通钢桁架连梁型式，连梁外形及杆件尺寸如图2所示，上、下弦杆钢材为Q345，其两端锚固于筒体混凝土墙内，斜腹杆为Q345双32b槽钢，其余部位连梁同方案1；方案3(CASE3)：筒体C轴和E轴处全部楼层采用带防屈曲支撑的钢桁架连梁型式，连梁外形及杆件尺寸亦如图2所示，上、下弦杆同普通钢桁架连梁，此时斜腹杆为防屈曲支撑，防屈曲支撑芯材为Q235双250 mm×20 mm扁钢，其余部位连梁同方案1；方案4(CASE4)：根据方案1时程分析结果可知，16～20层的楼层侧移较大，因此，只在16～20层筒体的C轴和E轴处设置与方案3相同的带防屈曲支撑的钢桁架连梁，其他楼层和部位仍采用普通钢筋混凝土连梁型式。

根据筒体C轴和E轴处洞口尺寸，本着受力合理、施工方便的原则，设计钢桁架连梁杆件布置方式。在进行方案2和方案3连梁杆件设计时，使两方案在多遇地震作用下层间角位移与方案1基本一致，保证两方案在正常使用阶段变形性能与方案1基本相同；对于方案3的杆件设计，考虑震后维修及更换方便，将斜向腹杆设计为防屈曲支撑，并使其在大震发生时率先屈服。经多次试算得到方案2和方案3杆件型式和尺寸如图2所示。

图1　计算模型结构平面布置图/mm

图2　钢桁架连梁示意图/mm

本文主要比较4种方案在罕遇地震作用下的地震响应。考虑到罕遇地震作用下防屈曲支撑及部分结构构件会发生屈服，进入弹塑性状态，因此采用动力弹塑性时程分析方法进行分析。本实例采用人工拟合地震波，地震波加速度时程曲线如图3所示。地震加速度时程的最大值取400 cm/s2，分析时间取20 s，时间步骤取为0.02 s。以结构横向X方向为主方向输入，纵向Y方向为次方向输入，X、Y方向地震动峰值加速度比值为1：0.85。

弹塑性动力时程分析采用Midas/Gen分析软件，防屈曲支撑采用Midas/Gen中的非线性连接单元—滞后系统进行模拟，滞后系统由在6个自由度上分别具有单向塑性的弹簧组成，本工程中仅Dx(轴向)设置弹簧的塑性特征值，滞后系统的模型如图4所示。根据前期防屈曲支撑试验结果，得出防屈曲支撑弹性刚度k取1.24×106kN/m，屈服强度Fy取2 632 kN，防屈曲支撑屈服后的刚度与弹性刚度之间的比值r取0.1，防屈曲支撑屈服指数s取2。强度f与变形d关系式为：

f=r·k·d+ (1-r)Fy·z。

图3　加速度时程曲线图

24种方案计算结果对比分析

2.1位移、速度、加速度对比分析

选取了4种方案在罕遇地震作用下顶层、17层、3层的位移、速度及加速度时程分析结果列于表2。从计算结果可以看出，全楼层设置带防屈曲支撑钢桁架连梁的方案3与采用钢筋混凝土连梁的方案1及采用普通钢桁架连梁的方案2比较，在楼层位移、速度、加速度3个方面的地震响应都得到了不同程度的控制。与方案1相比，各楼层的平均控制率在30%左右，与方案2相比，各楼层的平均控制率均有提高，较大幅值可达20%以上。对于只在位移较大楼层设置带防屈曲支撑钢桁架连梁的方案4，也较方案1和方案2在位移、速度、加速度方面得到一定程度的控制，相对方案2，个别楼层控制率为负值，但相差很小。方案4与方案3相比，各楼层的平均控制率相差不大，主要因为在层间位移较小楼层布置的防屈曲支撑，始终处于弹性阶段，仅起到一般钢杆件的作用，其耗能减震的作用未得到充分发挥。17层的位移、速度、加速度时程曲线如图5～7所示。

表2　罕遇地震作用下4种方案时程分析结果

表2(续)

图5　17层位移时程曲线

图6　17层速度时程曲线

图7　17层加速度时程曲线

2.2结构底部总剪力对比分析

图8是4种方案结构底部总剪力的时程曲线对比图，从图中可见方案 3和方案4的底部总剪力时程幅值相对较小。表3中列出了结构底部总剪力的对比值。由表中数据可见，全楼层布置带防屈曲支撑钢桁架连梁的方案3和只在层间位移较大的楼层布置带防屈曲支撑钢桁架连梁的方案4与其他方案相比减震效果都比较明显。方案4和方案3相比，减震效果相差不大。

图8　底部总剪力时程分析曲线

方案底部总剪力V/kN相对方案1降幅/%相对方案2降幅/%方案1357510.000.0方案2355270.630.0方案32539129.028.5方案42712524.123.6

3结语

通过对计算模型4种方案在罕遇地震作用下的弹塑性动力时程分析结果的对比，得出以下结论：

1) 在剪力墙结构中采用带防屈曲支撑的钢连梁型式，在罕遇地震作用下，结构的位移、速度、加速度较普通钢筋混凝土连梁和普通钢连梁型式都有不同程度的降低，只在层间位移较大的楼层布置带防屈曲支撑的钢连梁，虽然没有全楼层布置方案的减震效果好，但与全楼层布置方案相差不大，说明在层间侧移较大的楼层布置防屈曲支撑作用明显。

2)在罕遇地震作用下，在剪力墙结构中采用带防屈曲支撑的钢连梁型式与普通钢筋混凝土连梁和普通钢连梁型式相比，基底剪力得到较大幅度降低，其中全楼层布置带防屈曲支撑的钢连梁方案与只在层间位移较大的楼层布置带防屈曲支撑的钢连梁方案相比相差不大，再次证明在层间侧移较大的楼层布置防屈曲支撑更能发挥其耗能减震的作用。

由以上分析可见，带防屈曲支撑的钢连梁是一种较合理的连梁型式，防屈曲支撑在正常使用阶段，可作为一般受力杆件，在罕遇地震发生时，具有较好的耗能减震作用，其构造简单、造价低、耗能好，且性能稳定、适应性强。带防屈曲支撑的钢连梁既可解决普通钢筋混凝土连梁超筋、易发生脆性破坏的问题，又可充分发挥剪力墙或筒体结构中连梁第一道抗震防线的作用，是改善联肢墙抗震性能的有效途径。

参考文献

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The analysis of seismic performance of tube structure of frame-steel

truss coupling beams with buckling-restrained Brace

SUN Wei-dong, et al.

(SchoolofCivilEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：In order to analysis the seismic performance of the tube structure of frame-steel truss coupling beams with buckling-restrained brace, a framed-tube structure model is used as example in this paper. The tube part has been adopted from respectively 4 kinds of plans. All four cases installed with ordinary reinforced concrete coupling beams. All floors are equipped with ordinary steel truss coupling beams. All floors are equipped with the steel truss coupling beams with buckling-restrained brace. The local lateral larger floors are equipped with the steel truss coupling beams with buckling-restrained brace. The dynamic elastoplastic time history analysis method has been chosen to analyze the seismic responses of this four plans in rare seismic. The calculation result showes that, comparing the case of all floors equipped with the steel truss coupling beams with buckling-restrained brace to all floors installed with ordinary reinforced concrete coupling beams, and to all floors equipped with ordinary steel truss coupling beams, the shift of structure, speed, acceleration and total shearing force of substrate have different degrees of reduce. Comparing the case of only local lateral larger floors equipped with the steel truss coupling beams with buckling-restrained brace to the case of all floors equipped with steel truss coupling beams with buckling-restrained brace, seismic responses are not so far apart, which can also have good seismic damping effect.

Key words：buckling-restrained brace; steel truss coupling beams; time history analysis; seismic damping effect seismic response;

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2015)04-0001-05

中图分类号：TU398

作者简介：孙维东(1965-)，女(汉)，吉林，副教授

基金项目：吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(2012270)

收稿日期：2015-12-02

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.001