不同剛度比對(duì)屈曲約束支撐框架抗震性能的影響

胡 丹 苗建義

(中廣電廣播電影電視設(shè)計(jì)研究院，北京 100045)

0 引言

傳統(tǒng)的支撐框架有中心支撐框架和偏心支撐框架，但是支撐受壓時(shí)容易屈曲而導(dǎo)致剛度退化造成承載力不足，耗能能力和延性能力有限。盡管偏心支撐框架通過(guò)耗能梁段的非彈性變形進(jìn)行耗能，因其耗能梁段一般都位于框架梁上，震后不易修復(fù)或替換，而屈曲約束支撐(Buckling-Restrained Brace，BRB)可有效避免該問(wèn)題，近年來(lái)得到了越來(lái)越多的研究和應(yīng)用［1，2］。

BRB由兩個(gè)基本部分組成:核心耗能單元和屈曲約束單元。核心耗能單元在受壓時(shí)屈曲趨勢(shì)受到屈曲約束單元的限制，從而可以在受拉和受壓狀態(tài)下均實(shí)現(xiàn)全截面屈服，因而具有穩(wěn)定的滯回耗能能力，但目前大多數(shù)研究尚集中于構(gòu)件層次，結(jié)構(gòu)層次尚未形成完善的BRB框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

為此，本文按支撐與框架剛度比布置BRB，通過(guò)非線性動(dòng)力分析法研究不同剛度比對(duì)BRB框架抗震性能的影響，為BRB框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 框架的有限元模型

1.1 9層鋼框架結(jié)構(gòu)Benchmark模型

本文采用OpenSEES有限元軟件進(jìn)行非線性動(dòng)力分析，選取美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)(ASCE)Benchmark振動(dòng)控制問(wèn)題第三階段研究的模型結(jié)構(gòu)——9層鋼框架來(lái)作為研究對(duì)象［3］，結(jié)構(gòu)的基本信息如下:

該結(jié)構(gòu)有一層地下室，一層層高5.49 m，其余各層層高均為3.96 m;柱和地面基礎(chǔ)固接，地下室柱和底板鉸接，柱的兩層留有一個(gè)接頭，接頭和下層樓板的距離為1.83 m;鋼材采用雙線型隨動(dòng)強(qiáng)化模型，彈性模量為2.06×105MPa，強(qiáng)化系數(shù)為3%，梁、柱屈服強(qiáng)度分別為248 MPa和345 MPa，不考慮強(qiáng)度和剛度的退化。樓層質(zhì)量和梁柱截面尺寸見圖1，模型中每一層地震質(zhì)量以集中質(zhì)量形式施加在梁柱節(jié)點(diǎn)上。

1.2 BRB鋼框架結(jié)構(gòu)模型

本文在上述框架基礎(chǔ)上，按圖2所示的方式布置BRB，其中BRB與框架的連接為鉸接。在OpenSEES中梁、柱單元采用Nonlinear Beam-column element來(lái)模擬，材料本構(gòu)關(guān)系采用Steel01 Material;BRB采用truss單元模擬，材料本構(gòu)關(guān)系采用Steel02 Material。BRB 的屈服強(qiáng)度為 290 MPa，彈性模量為 2.06 ×105MPa，強(qiáng)化系數(shù)取1%。

為研究不同剛度比對(duì)框架抗震性能的影響，選取10個(gè)不同的剛度比BRB框架進(jìn)行分析。不同剛度比(k)下各層單根支撐面積如表1所示。

圖1 9層鋼框架

圖2 9層BRB鋼框架

表1 框架各層BRB面積 mm2

2 非線性動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果

本文選取EL Centro波，TAFT波和一條人工波進(jìn)行時(shí)程分析，計(jì)算時(shí)將每條地震波的峰值加速度調(diào)整為400 cm/s2，相當(dāng)于我國(guó)規(guī)范8度大震水平。

圖3a)為BRB框架結(jié)構(gòu)在三條地震波作用下的最大層間位移角，從圖中可以看出隨著剛度比的增大，最大層間位移角基本呈下降趨勢(shì)。尤其當(dāng)剛度比為0～0.5時(shí)，下降幅度最大，之后位移角減小幅度降低。

圖3b)為BRB框架結(jié)構(gòu)在三條地震波作用下最大層間位移角的平均值。剛度比由0增大至0.5時(shí)，各層位移角均有很大程度減小，且位移角的分布也較純框架(即剛度比k=0)均勻。隨著剛度比的繼續(xù)增大，位移角繼續(xù)呈下降趨勢(shì)，但下降幅度逐步減小。當(dāng)剛度比超過(guò)3時(shí)，結(jié)構(gòu)第8層的層間位移角反而增大。而當(dāng)剛度比為3時(shí)，結(jié)構(gòu)層間位移角分布最為均勻。

圖3 BRB框架結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)

圖3c)為不同剛度比下結(jié)構(gòu)的頂層最大層加速度，層加速度越大，說(shuō)明慣性力越大，結(jié)構(gòu)各部件承擔(dān)的力也會(huì)相應(yīng)增大，而且層加速度會(huì)對(duì)一些對(duì)加速度敏感的非結(jié)構(gòu)部件造成不利影響。由圖中結(jié)果可知，隨著剛度比的增大，頂層加速度響應(yīng)也隨之增加，因而結(jié)構(gòu)剛度比不宜取值過(guò)大。

圖4給出了TAFT地震波激勵(lì)下不同剛度比時(shí)框架結(jié)構(gòu)底層支撐的滯回曲線圖。雖然每根支撐的軸向變形都很接近，但是支撐最大軸力隨著剛度比的增加而明顯增大，從而增加梁柱節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)。同時(shí)支撐的滯回曲線飽滿程度也隨著剛度比的增加而逐步地減小。因此當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度過(guò)大時(shí)，BRB耗能效率實(shí)際上提高也不是很明顯。

因此綜合考慮結(jié)構(gòu)響應(yīng)，合理的剛度比為0.5～3，在這之間，位移角隨剛度比的增大減小的幅值較大，樓層位移角分布也較均勻，而且也不會(huì)使層加速度和支撐軸力過(guò)大。

圖4 TAFT地震波作用下框架底層支撐滯回曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于OpenSEES研究了不同剛度比對(duì)屈曲約束支撐框架抗震性能的影響。得到如下結(jié)論:支撐與框架的剛度比越大，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角越小，但減小幅值也越來(lái)越小;剛度比在一定范圍內(nèi)，樓層位移角的分布會(huì)隨剛度比的增大而均勻;剛度比越大，結(jié)構(gòu)的層加速和支撐的軸力也越大。本文建議屈曲約束支撐與框架的剛度比取值范圍為0.5～3。

［1］汪家銘，中島正愛.屈曲約束支撐體系的應(yīng)用與研究進(jìn)展(Ⅰ)［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2005，7(1)：1-12.

［2］汪家銘，中島正愛.屈曲約束支撐體系的應(yīng)用與研究進(jìn)展(Ⅱ)［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2005，7(2)：1-11.

［3］趙俊賢，吳 斌，歐進(jìn)萍.新型全鋼防屈曲支撐的擬靜力滯回性能試驗(yàn)［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2011，44(4)：60-70.

［4］郭彥林，江磊鑫.型鋼組合裝配式防屈曲約束支撐性能及設(shè)計(jì)方法研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(1)：30-37.

［5］Blac C J，Makris N，Aiken L D.Component testing seismic evaluation and characterization of buckling-restrained braces［J］.Journal of Structural Engineering，2004，130(6)：880-894.

［6］Ohtori Y，Christenson R E，ASCE A M，et al.Benchmark control problems for seismically excited nonlinear buildings［J］.Journal of Engineering Mechanics，2004(130)：366-385.