局部错层框架结构混合减震分析

2018-11-22龙锦添黎良辉

结构工程师 2018年5期

龙锦添陈瑶王辉黎良辉

(广州大学土木工程学院,广州 510006)

0 引言

随着工程建设的不断发展和进步,错层结构逐渐应用于建筑结构中,但是错层结构由于楼板错层,使得交接部位容易形成竖向短构件(如短柱构件),从而导致错层结构扭转不规则、刚度突变等问题,并且错层处的框架柱受力复杂,易发生短柱受剪破坏,对结构不利于抗震[1-3]。文献[4]对结构的布置跨数和布置方式进行分析,研究不同布置方式对高层错层结构的影响;文献[5]对剪力墙错层建筑结构进行静力和动力弹塑性分析,给出了结构在罕遇地震作用下抗震性能评估;文献[6]对带有转换层的错层结构进行振动台试验和有限元计算分析,得出模型试验结果与计算结果沿高度分布规律一致;文献[7]对住宅小区错层结构进行设计与分析,结果表明对错层结构采取严格的抗震措施和性能化设计后,可以有效提高错层结构的抗震性能。

消能减震技术应用于错层结构的研究较少,为解决结构的层间位移角和位移比不满足规范限值以及分析错层框架柱的内力性能等问题,对结构增设防屈曲耗能支撑和黏滞阻尼器进行混合减震控制分析,以减轻结构的动力响应,从而更好地保护主体结构免受地震破坏。

1 工程概况

本工程为钢筋混凝土框架结构,结构高11.35 m,结构平面尺寸为横向长度约为18.2 m,纵向长度约为26.7 m,结构主要梁柱尺寸为550 mm×300 mm、500 mm×500 mm,混凝土采用C30。结构有5层,最大层高为4.3 m,最小层高为2.5 m,结构第四层存在错层。该工程处在抗震设防烈度为7度地区,地震分组为第三组,场地类别为Ⅱ类。图1为结构三维示意图,图2为结构的建筑平面图,图3为结构A抽线立面图。

图1 结构三维示意图Fig.1 Three-dimensional schematic of structure

图2 建筑平面图(单位:mm)Fig.2 Plan of building (Unit:mm)

图3 A轴立面图(单位:mm)Fig.3 Façade map of A axis (Unit:mm)

2 建立结构模型并验证

利用SAP2000软件建立结构三维模型,并结合PKPM模型进行对比校核,以验证模型的准确性。结构PKPM模型质量为2 768 t,SAP2000模型质量为2 763 t,误差仅为0.17%;表1、表2和表3分别为SAP2000模型和PKPM模型的周期、剪力和层间位移角,周期误差最大为0.68%,剪力误差最大为3.73%,层间位移角最大误差为3.95%。可见,两个模型的质量、周期、剪力、层间位移角误差都在5%以内,有效验证了该模型的正确性,能够反映结构的动力特性,可用于后续计算分析。

表1PKPM与SAP2000模型周期对比

Table 1 Comparison of period in PKPM model and ETABS model

注：误差=|(SAP2000-PKPM)/PKPM|×100%

《建筑抗震设计规范》(以下简称为《抗规》)3.4.3-1条对于扭转不规则的定义为:在规定的水平力作用下,楼层的最大弹性水平位移(或层间位移),大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2倍。规范对楼层扭转位移比α的计算可以定义为

(1)

式中:δ1为楼层最大的弹性水平位移;δ2为楼层最小的弹性水平位移。

楼层扭转位移比α越大,说明相对层间位移越大,楼层结构的竖向构件越容易破坏,扭转变形越大。

由表4可知,结构错层楼层处的位移比大于1.2,属于扭转不规则结构;由表2和表3可知,原始结构第2层的层间位移角超限,不满足弹性层间位移角限值1/550。该结构存在错层,错层两侧的楼板相互交错,不在同一平面内,造成了错层柱缺乏框架梁的约束作用,从而造成了结构水平抗侧刚度降低,层间位移角峰值偏大。拟布置VD和BRB进行混合减震控制,改善结构的层间位移角和控制结构错层楼层的位移比进而减少结构因错层引起的扭转效应。

图4 平面扭转变形示意图Fig.4 Torsion deformation graph

表2PKPM模型与SAP2000模型X向楼层剪力和层间位移角对比

Table 2 Comparison of X direction story shear and interlayer displacement angle in PKPM model and ETABS model

表3PKPM模型与SAP2000模型Y向楼层剪力和层间位移角对比

Table 3 Comparison of Y direction story shear and interlayer displacement angle in PKPM model and ETABS model

注：误差=|(SAP2000-PKPM)/PKPM|×100%

表4原结构位移比

Table 4 Displacement ratio of original structure

3 地震波的选取

《抗规》规定,进行弹性时程分析时每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%,多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值均不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。综上所述,本工程拟选取5条实际强震记录和2条人工模拟加速度时程曲线对结构进行时程分析。7条地震波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线对比如图5所示,可以看出,两者在对应于结构主要振型的周期点上(T1、T2、T3)相差不大于20%,符合规范要求。

4 消能器布置方案及参数设置

消能器布置时应尽可能分散布置,并且布置在层间相对位移较大的楼层,这样可使结构在两个水平主轴方向的动力特性相近,避免结构形成明显的薄弱楼层和扭转,也可以提高消能器的减震效率。经反复调试计算下,拟布置4套VD和3套BRB。VD布置在结构的第2层;BRB布置在结构的第4层。VD和BRB设计参数分别见表5,消能器布置平面图和安装示意图分别如图6和图7所示。

图5 7条地震波加速度时程曲线与反应谱曲线图对比Fig.5 Comparisons of time history and response spectrum of seven seismic waves

图6 消能器布置平面图(单位:mm)Fig.6 Energy dissipater layout plan (Unit:mm)

图7 消能器安装示意图Fig.7 Installation diagram of energy dissipater

表5VD和BRB设计参数

Table 5 Design parameters of VD and BRB

5 有限元计算结果分析

5.1 层间位移角和位移比对比分析

本结构第4层存在错层,楼板不在同一个平面内,横向框架梁没有相互贯通,错层部分的侧向位移较大,使得结构在错层处的位移比不满足规范要求,增加VD和BRB来控制结构的位移比是有效的措施。表6为结构进行减震后的位移比均值,由表6可知,增加VD和BRB进行减震后,结构错层部分的位移比控制在1.2以下。由此可知,布置VD和BRB后,能够有效控制错层部分的位移比并改善结构的扭转效应。

结构在多遇地震和罕遇地震作用下的层间位移角如图8所示。从图中可知,原结构在多遇地震作用下的层间位移角大于规范限值1/550,不满足规范要求。对结构增设BRB和VD进行减震后,结构的层间位移角有明显降低。多遇地震作用下,减震后结构X向最大层间位移角由1/497降低到1/789,最大减震效果达37.05%;减震后结构Y向最大层间位移角由1/467降低到1/781,最大减震效果达40.24%;罕遇地震作用下,原结构层间位移角较减震结构也有明显降低,X向层间位移角约减少19.24%,Y向层间位移角约减少28.09%。说明VD和BRB在多遇地震和罕遇地震作用下均发挥了很好的耗能能力,能够提高结构的抗震性能。

图8 层间位移角对比分析Fig.8 Comparative analysis of interlayer displacement angle

结构在多遇地震波(DZ6)作用下的顶点位移时程曲线如图9所示。由图可知,对结构增设BRB和VD进行减震后,减震结构的顶点位移相对原结构有减少。其中,结构X向顶点位移最大值由30 mm减少到21 mm;结构Y向顶点位移最大值由27 mm减少到19 mm。并且由图可看出,在顶点位移振幅强烈时段上,减震结构X向和Y向的时间都相对原结构有所缩短。可见,对结构增设BRB和VD进行减震能够很好地减小结构的动力响应。

图9 结构顶点位移时程曲线Fig.9 Time history curves of structural top displacement

5.2 楼层剪力及基底剪力对比分析

图10为结构在多遇地震作用下减震前后的楼层剪力对比,所取楼层剪力为7条地震波的均值。由图可以看出,结构在增设BRB和VD进行减震后,X向和Y向楼层剪力均明显降低,其中X向减震效果约36.94%;Y向减震效果约41.20%。

表7为结构在多遇地震作用下减震前后的基底剪力对比。由表可知,对结构增设消能器后,结构在7条地震波作用下其基底剪力较减震前均有降低,结构承载能力比原始结构更好。

5.3 阻尼器耗能分析

图10 楼层剪力对比分析Fig.10 Comparative analysis of story shear

表6减震结构的位移比

Table 6 Displacement ratio of the shock absorption structure

表7基底剪力对比分析

Table 7 Comparative analysis of base shear

图11为结构在多遇地震和罕遇地震作用下的部分阻尼器滞回曲线图。滞回曲线为力与位移的曲线,反映了阻尼器的工作耗能情况。由图可见,多遇地震作用下黏滞阻尼器滞回曲线饱满,发生微小位移即可大量耗能,而BRB在多遇地震作用下未进入耗能状态,仅为结构提供刚度;罕遇地震作用下黏滞阻尼器两端出力和位移都增大,其耗能效果更佳,而BRB两端力和位移也增大,滞回曲线饱满,进入耗能状态,说明两种阻尼器在罕遇地震作用下均屈服而进入耗能状态,减少主体结构的损伤。

5.4 错层柱内力分析

框架柱是钢筋混凝土框架结构的重要的承重构件。对于建筑结构的错层部位,容易产生短柱,短柱构件由于刚度增大使得分配的荷载较大,从而导致其延性和耗能能力降低,发生不同程度的破坏。

结构第四层错层部分的柱子编号如图2所示,表8为错层处5号框架柱在减震前和减震后的轴力及剪力对比分析。由表可知,对结构增设VD和BRB进行混合减震,错层处框架柱内力在7条地震波作用下均有明显的降低。其中,轴力X向减震效果约52.05%,Y向减震效果约50.09%;剪力X向减震效果约54.05%,Y向减震效果约53.63%。可见,增设VD和BRB进行混合减震能够保护结构重要承重构件,提高结构在地震作用下的安全性能。