多高层框排架-支撑结构减震设计及试验研究

徐吉民， 高向宇， 王 峰， 王勇强， 张凌伟， 张江霖

(1.北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室， 北京 100124；2.华北电力设计院工程有限公司， 北京 100120；3.中国电力工程顾问集团公司， 北京 100120)



多高层框排架-支撑结构减震设计及试验研究

徐吉民1， 高向宇1， 王 峰1， 王勇强2， 张凌伟2， 张江霖3

(1.北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室， 北京 100124；2.华北电力设计院工程有限公司， 北京 100120；3.中国电力工程顾问集团公司， 北京 100120)

为了解决多高层框排架- 支撑结构存在的抗震能力较弱、出现薄弱层等问题，以某典型多高层框排架- 支撑结构为实例，基于防屈曲支撑(buckling-restrained brace, BRB)消能减震技术设计了3种减震方案，并通过有限元软件对原结构及各方案进行了弹塑性分析. 分析结果表明：3种方案均可改善层间位移角分布，提高结构抗震性能，其中降刚度方案的经济性及减震效果均较好. 按1∶10缩尺比例分别设计制作原结构及降刚度方案试验模型，通过静力往复加载试验，验证了减震方案提高结构阻尼比及抗震性能的效果.

框排架；防屈曲支撑；消能减震；抗震设计

多高层框排架- 支撑结构是由多层或高层框架、局部排架和支撑共同组成的结构体系，可为工业生产提供较大的工作空间、安放大型工业及动力设施. 我国在高烈度抗震设防区建造大型火电厂主厂房的首选结构型式即为多高层框排架结构. 该结构虽然具有较高的结构抗侧刚度，但普通钢支撑在强震下受压易产生屈曲现象，可能造成支撑本身及连接部件的破坏或失效，降低结构整体抗震性能. 由于生产设计的客观条件，主厂房还存在平面、空间布置不规则，质量刚度分布不均匀，局部荷载过大，薄弱部位多生等问题，难以达到国家标准所要求的多道抗震防线及性态化设计的要求. 文献[1-3]分别对钢筋混凝土及钢结构火电厂主厂房子结构进行了拟动力及拟静力试验，试验结果表明，钢筋混凝土主厂房耗能效果较差，在高烈度抗震设防地区宜采用消能减震措施. 钢结构主厂房整体抗震性能较好，但底部梁柱及支撑过早地进入塑性屈服使得整体结构的位移延性、耗能能力未能得以充分发挥. 文献[4]设计了圆筒式铅挤压消能支撑替代普通支撑的子结构模型并进行拟静力试验，结果表明：消能支撑框架体系具有良好的抗震性能，优于一般框架，但圆筒式铅挤压消能支撑的构造不甚合理、易失稳，建议采取改进措施.

防屈曲支撑(buckling-restrained brace，BRB)作为一种新型消能减震装置，在芯材屈服后支撑整体不发生屈服变形，可继续为主体结构提供稳定刚度与阻尼，避免主体结构发生大的不可逆变形. 国内外学者在BRB工程应用方面已取得较多研究成果[5-9]，形成较成熟的BRB消能减震技术，但对于多高层框排架- 支撑结构体系的应用研究仍未见报道.

本文采用防屈曲支撑作为减震装置替换原结构普通支撑，并以天津某1 000 MW火力发电厂主厂房为背景工程，提出3种减震设计方案，通过有限元非线性分析得出最优的方案及支撑布置方式，并设计制作框排架- 普通支撑(frame-bent brace，F-B)及框排架- 防屈曲支撑(frame-bent BRB，F-BRB)子结构模型进行静力往复加载试验，通过试验研究了2种结构的抗震性能，为多高层框排架- 支撑消能减震的研究与设计提供参考.

1 工程概况

1.1 工程背景

选取天津市某1 000 MW火力发电厂框排架- 支撑钢结构主厂房(包含汽机跨、除氧间及煤仓间)作为研究的背景工程. 结构平面图及横向立面图如图1、2所示，其中主梁、次梁、A～B轴柱为工字型截面，C、D轴柱为箱型截面，钢结构材料采用Q345，楼板采用C20混凝土. 厂房最高处标高61.05 m，建筑设防类别乙类，抗震设防烈度8度，场地类别IV类，设计地震分类一组，特征周期0.65 s. 其中纵向布置支撑153根，横向布置支撑151根.

1.2 原结构抗震性能分析

采用有限元分析软件SAP2000建立主厂房结构非线性3D模型. 楼板采用壳单元，梁、普通支撑及柱采用三维空间框架单元模拟. 钢材本构关系为多线性随动强化模型，整体结构阻尼比取0.035. 结构构件屈服后的性能可通过离散铰进行模拟，框架梁、柱的塑性铰分别定义为弯矩铰(M3)及耦合铰(PMM)，普通支撑采用修正后的轴力铰[10].

对规范谱(c-s)、Elcentro、New-hall、Taft、Hachinohe、天津及人工地震波进行波谱分析，结果如图3所示，α为地震影响系数，结构前三阶周期分别为1.221、1.051、0.937 s，考虑到该工程位于天津市，故选取天津、New-hall及人工(Arti)地震波进行非线性时程分析. 由于结构纵向为常见框架结构，主要针对结构横向进行抗震性能分析与消能减震设计.

图4为罕遇烈度地震下主厂房横向结构各层的层间位移角包络图. 可以看出：结构第6层为薄弱层；天津波作用下的结构地震响应最大，天津波和New-hall波的最大层间位移角θmax分别为1/36、1/49，均不满足抗震规范要求，需采取措施减小结构响应.

2 减震方案设计分析

2.1 防屈曲支撑设计原则

根据防屈曲支撑消能结构的设计思想，消能支撑应在主体结构进入塑性之前产生屈服，即BRB屈服位移小于主体结构的屈服位移. 为了保证防屈曲支撑较好地发挥振动控制和耗能减震作用，布置支撑时通常还需考虑支撑与主体结构刚度的匹配性. 文献[11]中对不同刚度比(防屈曲支撑抗侧刚度与主体结构各层层间刚度的比值)的结构进行了非线性时程分析，结果表明：刚度比达到4后，刚度比对结构性能的影响逐渐减弱. 但文中所研究的是层高及各层层间刚度一致的较规则型式结构. 而框排架- 支撑结构通常应用于结构受力复杂、层高及层间刚度不等的工业建筑，此时无法依据统一的刚度比作为防屈曲支撑的设计原则.

本文综合考虑框排架- 支撑结构受力特点和地震响应的复杂性，设计基于原刚度、基于层间剪力及降刚度分配BRB三种减震方案.

2.2 减震方案

框排架消能减震结构设计流程如图5所示. 基于原刚度方案中支撑刚度设计值采用原结构支撑考虑受压稳定性后所得轴向刚度值. 该方案便于传统框排架结构设计师熟悉与应用；基于层间剪力方案是在通过计算得到结构在等效地震作用下各层层间剪力的基础上，调整BRB布局分配，使结构层间位移角、扭转响应更趋于合理；降刚度方案基于上述方案，进一步降低BRB刚度，以充分发挥BRB在设防地震和罕遇地震下耗能减震的优势，取得一定的经济效益.

防屈曲支撑轴向刚度、抗侧刚度、工作段钢芯截面积之间满足式关系式[12]

(1)

式中kb、E、Ab、φ、lt、k、χ、η分别表示防屈曲支撑层间刚度、弹性模量、工作段钢芯截面积、支撑倾角、连接支撑的梁柱截面中心间距、扣除构件及节点板尺寸长度系数、工作段长度系数、连接段放大系数.

为比较3种方案的耗能减震效果，在设计背景工程基于原刚度(P1)与基于层间剪力(P2)方案时令所有防屈曲支撑工作段截面面积之和相同，降刚度方案(P3)基于P2方案设计. 最终各方案每层防屈曲支撑内核工作段截面面积如表1所示.

表1 3种方案各层支撑内核截面面积之和

2.3 方案分析

模型中BRB采用连接单元模拟，力学本构关系采用Wen塑性模型，屈服后刚度比为0.05.

2.3.1 模态分析

主厂房原结构及3种减震方案的前三阶周期结果对比如表2所示，4种结构的振型均依次为一阶纵向平动、二阶横向平动、三阶整体扭转.

由于减震方案仅替换横向普通支撑，故结构纵向一阶周期基本无变化，P3方案降低了横向支撑刚度，故二阶周期较原结构增大11.2%，其余2个方案变化较小，结果与方案的刚度变化一致.

表2 周期对比

2.3.2 动力非线性时程分析

同样选取天津，New-hall及人工地震波对减震结构进行非线性时程分析，主要讨论罕遇地震作用下的计算结果，输入地震加速度幅值为400 cm/s2. 原结构及减震方案在各地震波下的顶点位移时程曲线如图6所示，基底剪力及顶点位移最大值见表3. 可以看出，各减震方案的基底剪力及顶点位移相比于原结构均显著减小，证明BRB可有效降低结构地震响应. 由于减小了支撑刚度，P3方案中的顶点侧移稍大于P1、P2方案，但基底剪力显著降低，利于主体梁柱构件的进一步优化.

地震波原结构P1P2P3基底剪力/kN顶点位移/mm基底剪力/kN顶点位移/mm基底剪力/kN顶点位移/mm基底剪力/kN顶点位移/mm天津波261083566.4216601476.9214778459.1178322495.6New-hall波214230389.1187079336.2184634349.0162612373.3人工波177924294.9139661209.8137476216.1119087228.0

如图7所示，在3条地震波作用下，原结构的第6层层间位移角均较大，这是由于该层为电厂煤斗所在处，施加于结构的荷载极大，在地震加速度作用下产生较大响应，且本层层高达10.5 m，普通支撑易进入屈服，产生较大屈曲塑性变形，进而形成结构薄弱层. P1方案中结构地震响应有所减小，结构薄弱层抗震能力显著提高，但各层层间位移角差别依然较大，P2、P3层间位移角分布较合理，说明减震方案有效地调节了结构抗侧刚度，使之变化均匀，考虑经济效益，P3为较优方案.

观察天津波罕遇地震作用下同一结构部位塑性铰的分布及出现顺序，研究结构的破坏机制，如图8所示(数字为塑性铰出现顺序). 可以看出，原结构塑性铰首先出现在底层及薄弱层支撑处，底层梁柱开始屈服并产生B铰后，结构变形逐渐集中于薄弱层，该层支撑最终进入E铰即完全破坏阶段. 各减震方案的塑性铰发展趋势基本一致，表现为底层BRB首先进入塑性耗能状态，随着地震波加速度的不断增大，上层结构BRB逐步开始屈服耗能，底层梁柱亦出现B铰，而原薄弱层处的梁柱无塑性铰产生. 图8说明了减震方案可有效调整结构抗侧刚度及内力分布，使结构塑性铰分布更趋于合理.

3 试验验证

上述分析结果表明减震方案可有效提高框排架结构抗震性能. 但框排架- 普通支撑(F-B)及框排架- 消能支撑(F-BRB)结构受力破坏机制、恢复力特性等问题尚需通过试验验证.

研究选取上述原结构及P3方案中的⑦轴(见图1)为原型设计2个子结构实体对比模型. 模型设计比例1∶10，顶层结构等效为均布荷载施加至第6层顶板处，模型高度4.51 m. 采用静力往复加载系统加载至相同最大位移值，竖向荷载通过重力砝码模拟，水平荷载通过液压千斤顶施加，见图9.

完成的低周往复加载试验结果及对比研究结果表明，F-B结构在加载至较大位移时，底层普通支撑明显整体屈曲，受压时较受拉状态承载力大幅削弱，最终破坏形态表现为底层梁柱焊缝开裂，柱脚发生平面外屈曲，排架柱出现扭转变形.

F-BRB在F-B结构支撑出现屈曲的同等加载工况下，底层支撑钢芯与套管产生明显的相对位移，而整体无屈曲，支撑最终破坏形式表现为连接端屈曲. 图10为2个子结构模型的水平荷载- 顶点侧移骨架曲线对比. 由于减震方案降低了支撑刚度，F-B最大受拉承载力高于F-BRB. 但F-B结构正负向最大位移处的荷载相差13.7%，而F-BRB结构仅相差0.5%，说明F-BRB结构进入塑性后的正负向刚度变化较一致，受压承载能力显著提高.

图11为2个子结构模型的等效黏滞阻尼比对比，可以看出，正负向加载时结构等效黏滞阻尼比变化趋势基本一致. 在同等位移条件下，F-BRB较F-B结构的阻尼比明显提高，体现了BRB在结构中所发挥的滞回耗能作用.

4 结论

1) 研究提出的基于原刚度、基于层间剪力及降刚度分配BRB三种减震方案均可有效提高结构抗震能力，比较结构各层地震响应及经济效益，降刚度方案为较优方案.

2) 传统框排架- 支撑结构各层支撑及薄弱层处在罕遇地震下的塑性变形较大，减震方案结构的塑性变形集中于防屈曲支撑及结构底层，符合规范抗震设防体系的思路.

3) 框排架- 消能支撑(F-BRB)子结构模型在拉压荷载下刚度变化基本一致，其阻尼比较框排架- 普通支撑(F-B)显著提高，防屈曲支撑连接端建议加强.

4) 多高层框排架- 支撑结构在层高较高，荷载较大的结构层易出现薄弱层，需采取措施降低结构响应. 建议采用防屈曲支撑对传统框排架- 支撑结构进行减震设计，可保证在结构承载力的前提下，较好地调节刚度分布，避免结构出现薄弱层.

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(责任编辑 郑筱梅)

Earthquake-reduction Design and Experimental Research of Multi-story and High Rise Frame-bent Structure With Braces

XU Jimin1, GAO Xiangyu1, WANG Feng1, WANG Yongqiang2, ZHANG Lingwei2, ZHANG Jianglin3

(1.Beijing Key Lab of Earthquake Engineering and Structural Retrofit, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2.North China Electric Power Design Institute Co. Ltd., Beijing 100120, China; 3.China Power Engineering Consulting Group Corporation, Beijing 100120, China)

To improve the seismic performance of the multi-story and high rise frame structure, three kinds of vibration isolation schemes were proposed in this paper based on the energy dissipation technique of BRB (buckling-restrained brace, BRB). Taking a typical multi-story and high rise frame-bent structure with braces as an example, the nonlinear finite element analysis was carried out to quantify the effect of these schemes. The research results show that all these schemes significantly improve the distribution of storey drift angle and seismic performance of the structure, and in which, the scheme of reduced stiffness achieved excellent performance both in economy and security. Verification of the model was carried out by a cyclic loading experiment of 1∶10 models of the frame-bent structure with braces and satisfactory agreement was obtained.

frame-bent structure；buckling-restrained brace；energy dissipation and seismic reduction；seismic design

2016- 04- 13

北京市自然科学基金重点资助项目(8141001)

徐吉民(1989—)， 男， 博士研究生， 主要从事建筑结构减震控制方面的研究， E-mail:xyzh889@163.com

TU 352.1

A

0254-0037(2016)12-1841-07

10.11936/bjutxb2016040038