屈曲约束支撑在某住院楼框架结构减震中的应用研究

徐竟峰 赵树强

(1.云南省城乡规划设计研究院,昆明 650228; 2.云南省城乡建设投资有限公司,昆明 650501)

0 引 言

地震灾害严重威胁着人民的生命财产安全。随着社会的发展和科学技术的进步,传统设计理念中“抗”的思想不仅难以满足抗震设防要求,而且还会造成不合理的结构设计和资源的浪费。因此,结构振动控制这一新兴的理念在实际工程中有越来越多的应用[1]。结构振动控制按类型主要可分为消能减震、基础隔震和动力吸振等[2-3]。消能减震中常用的阻尼器有黏滞阻尼器、屈曲约束支撑(Buckling-Restrained Brace,简称BRB),软钢阻尼器和铅阻尼器等[4]。其中,BRB由于解决了普通钢支撑失稳破坏的问题,不仅大大提高了钢材的使用率,而且施工方法与普通钢结构支撑相同,具有施工进度快,质量可靠的优点,因此在工程中有着越来越多的应用[5-7]。

BRB一般由芯材,外套筒以及套筒内无粘结材料组成,大多利用刚度较大的外套筒限制中心芯板的屈曲。郭彩娟等[8]进行了某博物馆结构防屈曲支撑的减震分析。王洪涛等[9]进行了考虑二次地震激励的RC框架-屈曲约束支撑结构位移响应分析。赖伟强等[10]进行了某设备厂房的消能减震加固设计分析。严俊等[11]进行了速度型阻尼器和防屈曲支撑在装配式框架结构纵向体系中减震效果的研究。周云等[12]进行了钢板装配式屈曲约束支撑性能的试验研究。

本文首先对BRB进行了原理简介与分析,然后以一高烈度区的住院楼框架结构项目为例,进行加设BRB的减震分析设计。首先进行BRB布置位置的试算,然后分别研究了该结构在小震、大震和罕遇地震作用下的动力响应,讨论并验证了BRB的耗能机理和减震效果。本文的设计方法可为相似工程提供参考。

1 工程概况与BRB布置

1.1 工程概况

下文以一实际工程中的住院楼框架结构为例进行加设BRB后的抗震性能分析。该住院楼框架结构共13层,建筑高度49.597 m,高宽比为6.8,所在地的设防烈度为7度,设计基本地震加速度0.15g,场地类别Ⅲ类,地震分组第三组,框架抗震等级一级。由于本住院楼为重点设防类,因此应该充分注意建筑结构的抗震性能,尤其是在罕遇地震作用下,结构的抗倒塌性能。为提高该结构地震下的安全性,本工程拟采用减震阻尼器BRB加强结构的抗震性能,采用BRB作为减震构件。该住院楼框架结构的典型建筑平面图如图1所示。

图1 典型建筑平面图Fig.1 Typical building plan

1.2 BRB布置位置选择

本项目在大型结构有限元分析软件Etabs中建模分析。BRB沿楼层竖向布置的原则为:在地震作用下,会产生较大支撑内力和层间位移角较大的楼层优先布置BRB。在楼层平面内,遵循“均匀、分散、对称”的原则布置原则。

结合本工程的建筑使用功能,BRB共采用人字形,V字形和单斜撑型共三种布置形式。该框架结构在Etabs中的有限元模型如图2所示。

图2 结构有限元模型Fig.2 Structural finite element model

为了方便查看各个BRB的出力和位移情况,本文对每层的BRB进行编号。编号原则为:方向—楼层—序号。例如:“BRB-X1-1”的意思是X向第1层屈曲约束支撑1号。其中,1～7轴立面的BRB布置图如图3所示。

2 动力分析

2.1 地震波选取

参照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)中第5.1.2.3条的要求,在采用时程分析法进行抗震分析时,应该以建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线。其中,实测强震记录的数量不应少于总数的2/3,多组时程曲线的平均地震影响系数曲线在统计意义上应该相符,其加速度时程的最大值可按抗震规范表5.1.2-2进行采用。在进行结构的弹性时程分析时,每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%,且不应大于振型分解反应谱法计算结果的135%;利用多条地震时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值,不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%,且不应大于振型分解反应谱法计算结果的120%。

本工程结构的抗震设防基本烈度地震和罕遇地震分别采用2条天然地震波和1条人工地震波。按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》12.2.2的规定,选取用于弹性及非线性时程分析的3条地震波的加速度时程曲线分别如图4-图6所示。

图4 A10人工波时程曲线Fig.4 A10 artificial wave time-history curve

图5 LK-0660天然波时程曲线Fig.5 LK-0660 natural wave time-history curve

分析该结构在地震作用下的响应时,选取的不同水平的地震作用参数如表1所示。

2.2 多遇地震弹性时程分析

经过试算后,本项目共使用347根BRB,部分BRB参数如表2所示。

表1地震作用计算参数

Table 1 Earthquake action calculation parameters

在Etabs中,采用快速非线性的方法对结构进行多遇地震弹性时程分析。多遇地震时程分析位移角结果如表3所示。

表2部分BRB产品参数表

Table 2 Partial BRB product parameters

表3多遇地震时程分析位移角结果

Table 3 Results of the displacement angle under frequting earthquake

由表3数据可见,多遇地震作用下,结构各层的位移角均很小,已经控制在规范要求的限值以内,即结构在多遇地震作用下处于弹性状态。由BRB的出力计算可见,BRB在多遇地震作用下的出力设计值均小于BRB的屈服承载力。因此,可判断知BRB均未进入屈服状态。

2.3 罕遇地震弹塑性时程分析

本小节在Etabs中采用直接积分法对结构进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。分析结果如表4所示。

表4罕遇地震时程分析位移角结果

Table 4 Results of the displacement angle under rare earthquake

从表4可见,罕遇地震时程分析所采用的三条波,所计算得到的层间位移角均满足规范中1/60的减震结构塑性位移角要求。同时,罕遇地震作用下的减震结构与非减震结构的水平位移之比均小于0.75。对BRB进行罕遇地震时程分析,由BRB的出力及位移结果可知,该住院楼框架结构所布置的BRB在罕遇地震作用下均进入屈服状态,起到良好的耗能作用。

为了保证“大震不倒”,结构在地震作用下必须具有合理的耗能机制。在罕遇地震作用下,结构的部分构件进入塑性有利于结构的耗能,其中,结构的耗能性能与结构出铰情况及出铰顺序有关。下文以人工波A10为例,给出人工波A10作用下,结构的X向和Y向整体最终出铰情况,如图7和图8所示。

图7 人工波A10作用下X向整体出铰图Fig.7 The hinge display of the whole Xstructure under the wave A10

图8 人工波A10作用下Y向整体出铰图Fig.8 The hinge display of the whole Ystructure under the wave A10

由图7和图8可见,人工波A10作用下,结构塑性铰几乎都出在梁端和BRB的两侧。因此,满足抗震设防理念中的“强柱弱梁,强节点弱构件,强剪弱弯”的设计原则。

BRB通过自身的屈服来帮助结构耗散地震能量。BRB滞回曲线的面积直接反映了其耗能能力的大小。图9以A10波作用下,七层Y向K233阻尼器滞回曲线为例进行直观地说明。

从BRB滞回曲线可以看出,在罕遇地震作用下,BRB均进入屈服状态,能够通过自身的塑性变形耗散地震能量。BRB的滞回曲线较为饱满,耗能能力显著。

图9 A10波作用七层Y向K233阻尼器滞回曲线Fig.9 Hysteresis curve of K233 damper in Ydirection on 7th floor under A10 wave

3 结 论

本文以BRB在某住院楼框架结构的减震设计中的应用分析为例,对结构的整体有限元模型进行了弹性和弹塑性时程分析,采用三组不同地震波分析了结构在X向单向和Y向单向地震输入下的抗震性能,主要可得结论如下:

(1) 多遇地震作用下,主体结构保持弹性,BRB均处于弹性阶段,仅起到提供刚度作用,满足预期性能目标。

(2) 罕遇地震作用下,结构的部分构件开始进入塑性状态,框架梁优先出现梁铰,而后柱子出现柱铰,结构总体满足“强柱弱梁”的要求。

(3) 罕遇地震作用下,结构只有部分构件进入塑性,出现塑性铰。结构的最大弹塑性层间位移角为:X向1/148,Y向1/123。这表明结构在加设BRB后,具有良好的抗震耗能机制,保证了结构的安全性和可靠性,达到预期减震目标。

(4) 罕遇地震作用下,各BRB均进入塑性阶段,通过滞回耗能,发挥了良好的耗能能力,为结构主体提供了良好的安全保证。

本文加设BRB的设计方法和分析结果可为相似工程和研究提供参考。