新型鋼筋混凝土框架減震體系性能分析

王秀麗,張曉將

(蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

屈曲約束支撐(Buck ling-Restrained Braces)是由低屈服點軟鋼制成的支撐內(nèi)核和鋼管內(nèi)填混凝土的約束機構(gòu)構(gòu)成。這種支撐受壓受拉時均能達(dá)到屈服,此外支撐內(nèi)核屈服后能夠吸收大量的地震能量。這使得約束屈曲支撐在彈性階段是高強度的斜撐構(gòu)件,屈服后又是一種良好的遲滯型阻尼器,能夠吸收大量地震能量[1]。這種構(gòu)件在國外已經(jīng)大量應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)中,但在國內(nèi)的應(yīng)用還比較少,理論研究更是不成熟?？紤]到鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在我國應(yīng)用比較廣泛,但其抗側(cè)剛度小,尤其在高烈度地區(qū),“大震不倒”難以保證。本文針對框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度不足的樓層計算得出屈曲約束支撐的截面面積,利用ANSYS軟件模擬多遇地震作用,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性階段分析對比,并在罕遇地震作用下驗算結(jié)構(gòu)是否滿足“大震不倒”。

1 屈曲約束支撐截面面積的計算

先確定目標(biāo)層間位移角,再應(yīng)用底部剪力法確定各層在多遇地震作用下的地震剪力。最后比較結(jié)構(gòu)的抗剪承載力與地震剪力,當(dāng)結(jié)構(gòu)的抗剪承載力小于地震剪力時,其差值即為屈曲約束支撐所貢獻(xiàn)的剪力,從而得出支撐的截面面積。當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段時,屈曲約束支撐核心部分同步進(jìn)入屈服狀態(tài),起到了耗能減震的作用。其計算流程圖見圖1。

2 工程算例

某八層框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為 8度,設(shè)計基本加速度為 0.30 g,設(shè)計分組為第一組,場地類別為 3類。其布置如圖 2所示。由于原結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度不足,故采用加屈曲約束支撐的方法對其加強,本文以橫向地震計算為例。原結(jié)構(gòu)的基本數(shù)據(jù)見表 1。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的要求,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的彈性位移角限值為 1/550,本文計算過程中考慮屈曲約束支撐的計算偏差,直接取放大系數(shù) 1.1,則相應(yīng)的目標(biāo)彈性位移角為 1/600。由表 1可知一到四層的位移角比較大,應(yīng)該加屈曲約束支撐以增加樓層的抗側(cè)剛度。其計算結(jié)果見表 2。

圖1 屈曲約束支撐設(shè)計流程

圖2 屈曲約束支撐布置及有限元模型

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屈曲約束支撐布置在結(jié)構(gòu)的四個位置,每層共需 8個支撐。第一層和第四層的每個屈曲約束支撐的截面面積統(tǒng)一取為 1600 mm2,第二層的每個屈曲約束支撐取為 3000 mm2,第三層的每個屈曲約束支撐的截面面積取為 2400mm2。

3 有限元模型計算結(jié)果對比

在 ANSYS程序中梁、柱采用 beam4單元、樓板采用shell63單元、屈曲約束支撐采用 link8單元,屈曲約束支撐采用人字形或 V形布置(見圖 2(a)所示),支撐鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型,采用 Von Mises屈服準(zhǔn)則。輸入了三種不同的地震波進(jìn)行模擬地震作用,地震加速度時程分析的峰值均采用 110 cm/s2(8度,0.3 g),兩個記錄的時間間隔為0.02 s。

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3.1 彈性階段層間位移角對比分析

通過大型有限元軟件 ANSYS分析,表 3列出了三種不同的地震波作用下原鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和帶屈曲約束支撐的各層彈性層間位移角,同時繪出不同地震波作用下的各層最大位移角曲線。從表 3和表 4對比可知,加屈曲約束支撐后最大層間位移角明顯減小,滿足規(guī)范中的彈性位移角限值要求。

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3.2 結(jié)構(gòu)減震體系減震效果分析

以取 TAFT地震波計算結(jié)果為例,分別觀察一到四層加屈曲約束支撐前后層間位移變化,可知加支撐之后層間位移明顯減小,見圖 3所示。同樣,在用三種不同地震波計算結(jié)構(gòu)層間位移也有不同程度減小,其層間位移變化及位移折減率見表 4。

圖3 TAFT地震波作用下一到四層層間位移的時程分析對比結(jié)果

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3.3 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)側(cè)移驗算

對該混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震反應(yīng)分析時,同樣輸入了不同的地震波進(jìn)行模擬地震作用,按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》要求采用時程分析法時的峰值為 510 cm/m2。在地震作用方向的層間位移角滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的要求,其層間位移角均小于 1/50,可以滿足“大震不倒”的要求,其結(jié)果見表 5。

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4 結(jié)論

(1)本文中提出的將支撐布置在位移較大區(qū)域的方法效果明顯,能夠使結(jié)構(gòu)的層間位移角趨于平緩,并且滿足規(guī)范要求。

(2)從表 4可以看出加屈曲約束支撐之后層間位移明顯減小,在三種不同地震波模擬作用下層間位移減小 20%～35%,效果明顯。加支撐后一到四層抗側(cè)剛度增大,而在未加支撐的第五層有剛度突變,層間位移角比較大,但均滿足規(guī)范要求。

(3)屈曲約束支撐的設(shè)計是基于彈性階段內(nèi)的,但結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段以后,內(nèi)核軟鋼隨之屈服使屈曲約束支撐減震耗能的特性充分發(fā)揮,使結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的要求。同時在今后研究和工程實踐當(dāng)中,應(yīng)注意屈曲約束支撐與梁柱節(jié)點的連接、以及初始幾何缺陷、溫度等因素對其動力性能的影響。

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