速度型阻尼器和防屈曲支撐在裝配式框架結(jié)構(gòu)縱向體系中減震效果研究①

嚴(yán) 俊，龐金來，施衛(wèi)星

(同濟(jì)大學(xué)，上海200092)

0 引 言

傳統(tǒng)裝配式框架結(jié)構(gòu)，即采用橫向設(shè)置整榀預(yù)制主框架、而縱向采用聯(lián)系梁連接的結(jié)構(gòu)體系，直到上世紀(jì)九十年代初期還在我國得到廣泛應(yīng)用.由于裝配式框架的梁、柱、樓板預(yù)制，框架節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中顯著，側(cè)向剛度小，在強(qiáng)烈地震作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移較大，因此設(shè)計(jì)時(shí)如何提高框架的抗側(cè)剛度及控制好結(jié)構(gòu)側(cè)移為重要因素.將速度型阻尼器和防屈曲支撐等概念應(yīng)用到此類建筑是一種可能的選擇.

近年來，翁大根等采用層間增設(shè)粘滯阻尼器對(duì)某未抗震設(shè)防的八層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)采用效消能減震支撐支撐進(jìn)行加固，提出由于結(jié)構(gòu)體系層間位移角最大值可以增大結(jié)構(gòu)抗震安全性.楊溥等采用層間增設(shè)粘滯阻尼器對(duì)某未抗震設(shè)防的八層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)采用效消能減震支撐支撐進(jìn)行加固，提出由于結(jié)構(gòu)體系層間位移角最大值可以增大結(jié)構(gòu)抗震安全性.趙瑛等提出防屈曲支撐由于其拉壓等強(qiáng)的特性，對(duì)梁跨中并不產(chǎn)生不平衡力，從而較少影響結(jié)構(gòu)彎矩和剪力變化.劉金等對(duì)單榀框架采用不同樓層設(shè)置粘滯阻尼器方式進(jìn)行地震波作用下時(shí)程分析，提出每層均布置阻尼器的情況下各層柱端彎矩較原結(jié)構(gòu)有較大降低的觀點(diǎn).

本文對(duì)比了在裝配式框架結(jié)構(gòu)的縱向體系中增設(shè)阻尼器和防屈曲支撐，采用時(shí)程分析方法，比較結(jié)構(gòu)側(cè)移、梁端彎矩及彈塑性發(fā)展情況等，進(jìn)而提出該類結(jié)構(gòu)體系在阻尼器和防屈曲支撐作用下的具有一定減震效果.

1 速度型阻尼器和鋼支撐的基本特性

1.1 速度型阻尼器

速度型阻尼器是利用與速度相關(guān)的粘滯性所產(chǎn)生的抵抗作用來獲得衰減力.設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)目標(biāo)減振建筑物的允許位移、周期、反應(yīng)加速度等，確定阻尼器的抵抗力和粘性衰減常數(shù)，并考慮阻尼器的配置和界限位移等條件，確定尺寸和數(shù)量.

在建筑結(jié)構(gòu)的減振控制中，當(dāng)粘滯流體阻尼器通過支撐連接安裝到建筑結(jié)構(gòu)上時(shí)，可以將支撐等效處理為一根彈簧，則計(jì)算模型簡化為一根彈簧與一個(gè)粘滯阻尼元件的串聯(lián).如圖1 所示:

粘滯阻尼器通過建筑結(jié)構(gòu)傳遞的外力迫使流體通過阻尼筒中活塞上的小孔來產(chǎn)生阻尼.阻尼器的輸出力一般包括阻尼力和彈簧力，粘滯阻尼器可以輸出純阻尼力，其理想輸出力為用下式表示:

c0為粘滯阻尼器的阻尼系數(shù);α 為粘滯阻尼器的速度非線性指數(shù);V 為阻尼器兩端的相對(duì)速度.

當(dāng)α=1 時(shí)，輸出力與速度成線性關(guān)系，此時(shí)稱為線性粘滯阻尼器;當(dāng)α ≠1 時(shí)，輸出力與速度成指數(shù)關(guān)系，此時(shí)稱為非線性粘滯阻尼器.圖2 所示即為輸出力F 與相對(duì)速度V 的關(guān)系曲線圖.

圖1 粘滯阻尼器計(jì)算模型簡化圖

圖2 粘滯阻尼器的輸出力F 與相對(duì)速度V 的關(guān)系曲線圖

圖3 防屈曲支撐構(gòu)造

1.2 防屈曲支撐

防屈曲支撐是一種由外圍約束套管、內(nèi)核鋼芯以及兩者之間的無粘結(jié)隔離材料組成的新型的支撐形式，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示.鋼芯與主體結(jié)構(gòu)相連構(gòu)成了其主要的受力構(gòu)件，為建筑結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度.外圍約束套管為鋼芯提供側(cè)向約束，防止支撐受壓屈曲變形.當(dāng)在拉壓荷載的作用下防屈曲支撐發(fā)生屈服后通過滯回變形消耗地震能量.

圖4 防屈曲支撐與傳統(tǒng)支撐的屈服滯回曲線

圖5 三種結(jié)構(gòu)體系的縱向框架

在彈性變形范圍內(nèi)，防屈曲支撐與傳統(tǒng)支撐一樣.工作機(jī)理相類似.在地震反復(fù)荷載較大時(shí)，傳統(tǒng)支撐會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，但防屈曲支撐由于受到外圍約束套管的約束不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，而是發(fā)生屈服進(jìn)入塑性變形階段.由于其拉壓強(qiáng)度接近，在拉壓反復(fù)荷載作用下滯回曲線對(duì)稱、飽滿，比傳統(tǒng)支撐具有更好的的抗震性能，如圖4 所示.

2 算例分析

2.1 概 述

某六層裝配式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)小學(xué)教學(xué)樓，底層層高4.2m，其余各層3.3m.取縱向框架進(jìn)行分析，恒荷載30KN/m，活荷載12KN/m.設(shè)防烈度為7 度(0.1g)，場(chǎng)地類型為Ⅳ.

分別采用純框架結(jié)構(gòu)、防屈曲支撐結(jié)構(gòu)、阻尼器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，梁柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30，使用SAP2000 進(jìn)行設(shè)計(jì)分析.

我國抗震設(shè)防目標(biāo)為:小震不壞、中震可修、大震不倒.具體做法上，在小震作用下需驗(yàn)算結(jié)構(gòu)彈性變形，根據(jù)規(guī)范，彈性層間位移限制取1/550;在大震作用下驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形，根據(jù)規(guī)范，彈性層間位移限制取1/50.

圖6 MEX7X 波

圖7 MEX7X 波小震作用下各結(jié)構(gòu)體系頂點(diǎn)位移

2.2 阻尼器和防屈曲支撐的設(shè)計(jì)

在SAP2000 建模中，三種結(jié)構(gòu)模型均采用平面框架建模;材料的彈性模量、密度、屈服強(qiáng)度等參數(shù)均根據(jù)實(shí)際情況取值;在兩端設(shè)置M3 型塑.阻尼器設(shè)計(jì)如下:質(zhì)量0.1751kN，重量0，線彈簧比例0.3048，面、實(shí)體彈簧比例0.0929，方向U1(非線性)，剛度175126.9kN/m，阻尼系數(shù)837.3188，阻尼指數(shù)0.5;屈曲支撐設(shè)計(jì)如下:材料Q345，外直徑273mm，壁厚度6mm.

圖8 MEX7X 波小震作用下各樓層層間位移角

圖9 MEX7X 波大震作用下各結(jié)構(gòu)體系頂點(diǎn)位移

2.3 地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)

眾所周知，防屈曲支撐能為建筑結(jié)構(gòu)提供較好的抗側(cè)剛度，克服在地震作用下傳統(tǒng)支撐的突發(fā)性失穩(wěn)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，抗震性能較差.而對(duì)于該算例這類結(jié)構(gòu)剛度小的裝配式框架結(jié)構(gòu)，有必要對(duì)純框架、防屈曲支撐框架、阻尼器框架結(jié)構(gòu)在大震、小震作用下進(jìn)行比較分析.

2.3.1 地震波的選取

本算例選用墨西哥MEX7X 波作為輸入波，時(shí)程分析下，水平地震加速度峰值在小震、大震作用下7 度區(qū)分別為35gal、220gal.

2.3.2 阻尼器和鋼支撐在小震作用下的時(shí)程分析

由時(shí)程分析結(jié)果可知，在小震作用下，純框架結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移大于結(jié)構(gòu)彈性限值，而阻尼器結(jié)構(gòu)和防屈曲支撐結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移小于結(jié)構(gòu)彈性限值，且較純框架結(jié)構(gòu)有較為明顯的減小.分別減小了25.2%及56.9%，圖6 為三種結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)時(shí)程位移對(duì)比.

表2 小震作用下各體系的頂點(diǎn)位移

圖10 MEX7X 波大震作用下各樓層層間位移

本算例在每層均選取了一根彎矩較大的梁進(jìn)行三種結(jié)構(gòu)的比較分析，所選取的梁編號(hào)如圖5 所示.比較得知，在小震下，阻尼器對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)框架縱向體系有良好的減震效果，減震效果在50%—80%;鋼支撐結(jié)構(gòu)則減震效果不明顯，部分桿件地震效應(yīng)甚至較純框架有所增大.

表3 小震作用下各體系的梁端彎矩(kN·m)

2.3.3 阻尼器和鋼支撐在大震作用下的時(shí)程分析

由時(shí)程分析結(jié)果可知，在大震作用下，三種結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移小均于結(jié)構(gòu)倒塌限值，防屈曲支撐框架和阻尼器框架較純框架結(jié)構(gòu)有較為明顯的減小，分別減小了25.1%及59.0%.

比較得知，在大震下，阻尼器對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)框架縱向體系有良好的減震效果，減震效果在54%—68%;防屈曲支撐結(jié)構(gòu)則減震效果不明顯，部分桿件地震效應(yīng)甚至較純框架有所增大.

表4 大震作用下各體系的頂點(diǎn)位移

通過sap 的時(shí)程積分計(jì)算可知，小震作用下三種結(jié)構(gòu)體系均處于彈性狀態(tài).大震作用下，純框架體系的各個(gè)梁端均出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑形狀態(tài);而在有阻尼器結(jié)構(gòu)體系中，原有結(jié)構(gòu)仍處于彈性工作狀態(tài).選取邊跨上兩根彎矩較大的構(gòu)件進(jìn)行對(duì)比分析，如圖10 所示，可知阻尼器的減震效果顯著，構(gòu)件109－1、110－1 梁端彎矩分別減少54.0%和56.7%.

圖11 純框架結(jié)構(gòu)在大震下出現(xiàn)塑性鉸

圖12 阻尼器在大震下的減震效果

總的來說，六層的鋼筋混凝土裝配式框架結(jié)構(gòu)房屋，其梁柱截面較小，抗側(cè)剛度較小，輸入特定峰值的地震波后，就防屈曲支撐框架和阻尼器框架對(duì)減震效果的計(jì)算比較，可知防屈曲支撐體系和阻尼器體系可減小各層的位移反應(yīng)，又可減小各層反應(yīng)值的差異，避免薄弱層的發(fā)生;以及不同體系在相同強(qiáng)度的地震波作用下，減震效果不同，阻尼器的效能性能較好;尤其在大震作用下，有阻尼器的體系中，原有結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，是今后裝配式框架結(jié)構(gòu)抗震的不錯(cuò)選擇，值得推廣.

表5 大震作用下各體系的梁端彎矩(kN·m)

107－1 158.67 195.22 58.87 0 62.9 108－1 102.02 153.58 32.02 0 68.61

3 結(jié) 語

本文研究了縱向抗側(cè)剛度較弱的裝配式框架結(jié)構(gòu)在純框架、防屈曲支撐、阻尼器結(jié)構(gòu)體系下的抗震性能.首先分析了速度型阻尼器和鋼支撐的基本特性，為之后的阻尼器設(shè)計(jì)、防屈曲支撐設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)體系的地震反應(yīng)分析提供了依據(jù).最后通過算例說明了阻尼器具有良好的減震效果.

［1］ 翁大根，陳廷君，呂西林，等.某鋼筋混凝土框架增設(shè)阻尼器抗震加固分析研究［J］.工程抗震與加固改造，2007，29(3):65－71.

［2］ 楊溥，姬淑艷，肖志，等.粘滯阻尼器加固的某RC 框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，30(8).

［3］ 劉金，趙林，劉慶梅，等.屈曲約束支撐布置方式對(duì)多層框架抗震性能影響［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2011，41(增刊):158－161，40(S1):158－161.

［4］ 趙瑛，郭彥林.防屈曲支撐框架設(shè)計(jì)方法研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(1):38－85.

［5］ 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).GB 50011－2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.