工業(yè)廠房金屬耗能器罕遇地震彈塑性時(shí)程分析

周 珺

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200033)

工業(yè)廠房具有大跨度、重荷載、高凈高等要求。純框架工業(yè)廠房往往不能滿足建筑空間需求，且純框架側(cè)向剛度小，抗震性能不利，尤其罕遇地震下，結(jié)構(gòu)水平位移大，易造成嚴(yán)重破壞。本文用ETABS2016軟件進(jìn)行抗震分析和參數(shù)研究，探討重荷載、大跨度、高凈高工業(yè)廠房在罕遇地震下的動(dòng)力響應(yīng)，驗(yàn)證金屬耗能器的耗能保護(hù)作用。

1 工程概況

某工業(yè)廠房地上5層，鋼混框架體系。設(shè)防烈度7度(0.1g)，地震分組第一組，Ⅳ類場(chǎng)地，場(chǎng)地特征周期0.9 s，罕遇地震下結(jié)構(gòu)阻尼比0.05。地上1層～4層布置了64根金屬耗能器(MDD)，人字形布置，金屬耗能器性能如表1所示，平面布置圖如圖1所示。

表1 選定支撐的性能

2 多遇地震下結(jié)構(gòu)分析

本工程采用有限元分析軟件ETABS2016進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，首先對(duì)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)和多遇地震反應(yīng)譜分析，并對(duì)比計(jì)算結(jié)果，如表2所示，表2中差值為：(|MDD結(jié)構(gòu)-普通結(jié)構(gòu)|/MDD結(jié)構(gòu))×100%。

表2 結(jié)構(gòu)周期對(duì)比(前三階)

表2為原廠房結(jié)構(gòu)與帶MDD支撐結(jié)構(gòu)的周期變化，后者明顯減小。周期比顯著降低，說明MDD不僅能提高抗側(cè)剛度，也可有效改善結(jié)構(gòu)抗扭性能。由圖2可知，MDD結(jié)構(gòu)的基底剪力更小。圖3顯示了純框架與帶金屬耗能器的支撐結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)位移的改變，可見支撐結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)比純框架小，滿足規(guī)范要求。

3 罕遇地震作用下動(dòng)力彈塑性分析

本工程使用的軟件ETABS2016軟件具有強(qiáng)大的非線性動(dòng)力分析功能，能夠準(zhǔn)確分析主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性的變形特征及防屈曲支撐在大震下所發(fā)揮的特性。主體結(jié)構(gòu)框架梁采用梁鉸(M)、柱定義為柱鉸(PMM)(每個(gè)構(gòu)件兩鉸，距離分別為0.02和0.98)，MDD采用PLASTIC(Wen)模型模擬，定義為P鉸，剛度取βEA/L，β=1.3,該系數(shù)為考慮節(jié)點(diǎn)板和節(jié)點(diǎn)域的剛度放大，屈服后剛度系數(shù)取0.01。MDD的模擬采用剛性桿系再定義纖維軸力鉸。

本文選取三條波進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，TH1和TH2為天然波,TH3為人工波，分析時(shí)間70 s，調(diào)幅后的峰值加速度為220 cm/s2。

由圖4，圖5可知，罕遇地震下結(jié)構(gòu)X向和Y向最大層間位移角均出現(xiàn)在第4層，分別為1/126和1/147，在限值1/50以內(nèi)，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求，即金屬耗能器可有效控制結(jié)構(gòu)整體位移。

現(xiàn)以頂點(diǎn)位移對(duì)比分析結(jié)果為例來說明金屬耗能器的減震效果。圖6顯示兩種結(jié)構(gòu)在相同地震動(dòng)輸入下頂點(diǎn)位移在前20 s的時(shí)程曲線。純框架與支撐結(jié)構(gòu)的最大頂點(diǎn)位移分別為：150.5 mm和105.5 mm，降幅為29.0%，可見在相同地震動(dòng)輸入下，支撐結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移反應(yīng)明顯更小，從而能夠更好滿足“大震不倒”要求。

下面以TH2波為例說明罕遇地震下結(jié)構(gòu)屈服狀態(tài)。

由圖7～圖9可知結(jié)構(gòu)屈服狀態(tài)變化，MDD先于梁柱出現(xiàn)塑性鉸，即罕遇地震下，MDD率先屈服耗散地震能量，避免主體過早進(jìn)入塑性，發(fā)揮了第一道抗震防線作用。

采用附加阻尼比計(jì)算方法采用能量類比法，據(jù)此算出減震結(jié)構(gòu)的金屬耗能器在罕遇地震下的X向和Y向平均附加阻尼比為2.92%和2.7%，阻尼比越大對(duì)結(jié)構(gòu)越有利。

圖10～圖13為罕遇地震下部分MDD的滯回曲線飽滿，表明其具有良好耗能能力，底層MDD耗能效果最好。

純框架需要增大構(gòu)件尺寸才能提高抗側(cè)剛度，這樣結(jié)構(gòu)自重和地震力增大，也不經(jīng)濟(jì)。采用金屬耗能器后構(gòu)件尺寸大幅降低，見圖14，柱由1 200 mm×1 200 mm降為1 000 mm×1 000 mm，主梁由800 mm×900 mm降為400mm×900 mm，圖14顯示了純框架結(jié)構(gòu)和BRB結(jié)構(gòu)的單位構(gòu)件混凝土用量差別，整個(gè)結(jié)構(gòu)共計(jì)節(jié)約混凝土約19%，同時(shí)建筑獲得更多的使用空間。這證明金屬耗能器不僅可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，同時(shí)兼具良好的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

本文通過在大跨度、重荷載工業(yè)廠房中設(shè)置金屬耗能器，有效降低了結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力響應(yīng)，大大提高了其抗震性能與抗震安全儲(chǔ)備。分析可知，多遇地震下金屬耗能器不僅能增加結(jié)構(gòu)剛度，還能有效控制位移響應(yīng)，改善結(jié)構(gòu)抗震性能。罕遇地震下金屬耗能器先于梁柱出現(xiàn)塑性鉸，率先進(jìn)入屈服，滯回曲線飽滿，有效耗能并保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。且大震下結(jié)構(gòu)整體變形均沒有超過規(guī)范限值，滿足“大震不倒”的要求，并有效減小地震作用。高烈度地區(qū)的帶金屬耗能器的框架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房可耗散地震能量，使結(jié)構(gòu)主體避免倒塌，和純框架相比能大幅減小結(jié)構(gòu)梁柱尺寸及結(jié)構(gòu)地震作用，是更經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式。