新型鋼筋混凝土框架減震體系性能分析

王秀麗,張曉將

(蘭州理工大學土木工程學院,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核和鋼管內填混凝土的約束機構構成。這種支撐受壓受拉時均能達到屈服,此外支撐內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]。這種構件在國外已經(jīng)大量應用于框架結構中,但在國內的應用還比較少,理論研究更是不成熟?？紤]到鋼筋混凝土框架結構在我國應用比較廣泛,但其抗側剛度小,尤其在高烈度地區(qū),“大震不倒”難以保證。本文針對框架結構抗側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,對結構進行彈性階段分析對比,并在罕遇地震作用下驗算結構是否滿足“大震不倒”。

1 屈曲約束支撐截面面積的計算

先確定目標層間位移角,再應用底部剪力法確定各層在多遇地震作用下的地震剪力。最后比較結構的抗剪承載力與地震剪力,當結構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的剪力,從而得出支撐的截面面積。當結構進入彈塑性階段時,屈曲約束支撐核心部分同步進入屈服狀態(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

某八層框架結構抗震設防烈度為 8度,設計基本加速度為 0.30 g,設計分組為第一組,場地類別為 3類。其布置如圖 2所示。由于原結構的抗側剛度不足,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。原結構的基本數(shù)據(jù)見表 1。

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》中的要求,鋼筋混凝土結構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,則相應的目標彈性位移角為 1/600。由表 1可知一到四層的位移角比較大,應該加屈曲約束支撐以增加樓層的抗側剛度。其計算結果見表 2。

圖1 屈曲約束支撐設計流程

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構的四個位置,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),支撐鋼材的本構關系采用理想彈塑性模型,采用 Von Mises屈服準則。輸入了三種不同的地震波進行模擬地震作用,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構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 結構減震體系減震效果分析

以取 TAFT地震波計算結果為例,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構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果

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3.3 罕遇地震作用下結構側移驗算

對該混凝土框架結構進行罕遇地震反應分析時,同樣輸入了不同的地震波進行模擬地震作用,按照《建筑抗震設計規(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,其結果見表 5。

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4 結論

(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,能夠使結構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)屈曲約束支撐的設計是基于彈性階段內的,但結構進入彈塑性階段以后,內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,使結構滿足“大震不倒”的要求。同時在今后研究和工程實踐當中,應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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