防屈曲耗能支撐（BRB）在某建筑加固中的應(yīng)用

王艷武（河北省建筑科學(xué)研究院，河北　石家莊　050021）

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防屈曲耗能支撐（BRB）在某建筑加固中的應(yīng)用

王艷武
（河北省建筑科學(xué)研究院，河北石家莊050021）

摘要：使用防屈曲耗能支撐（BRB）對(duì)某混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加固，并通過ANSYS與MIDAS兩種有限元軟件，對(duì)加固前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇、罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)仿真分析，結(jié)果表明：多遇、罕遇地震下，加固后結(jié)構(gòu)層間位移角均滿足規(guī)范要求，有效減弱主要構(gòu)件塑性鉸的出現(xiàn)，保證了結(jié)構(gòu)整體安全性。

關(guān)鍵詞：防屈曲耗能支撐，結(jié)構(gòu)加固，耗能減震，時(shí)程分析

0　引言

在對(duì)既有混凝土框架結(jié)構(gòu)的升級(jí)改造、加固時(shí)，經(jīng)常遇到結(jié)構(gòu)抗震能力、抗側(cè)移剛度不足的問題。根據(jù)現(xiàn)行的規(guī)范［1］傳統(tǒng)加固方法有增設(shè)普通鋼支撐體系法、增大截面加固法、外包型鋼加固法等，主要是提高結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度這樣“硬抗”的方法，然而地震作用與結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)，隨著結(jié)構(gòu)剛度的增加而增強(qiáng)（尤其在高設(shè)防烈度區(qū)域），“硬抗”不僅造成建筑材料用量增加，而且還使勞動(dòng)力成本增加、工期延長(zhǎng)，很可能還會(huì)導(dǎo)致地震作用下主要受力構(gòu)件破壞增大，震后難以修復(fù)。

為此，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者提出了新型防屈曲耗能支撐（BRB）。BRB主要由核心單元、約束單元及滑動(dòng)機(jī)制單元組成，解決了傳統(tǒng)支撐受壓屈曲問題，并具有經(jīng)濟(jì)性好、易修復(fù)、連接方便、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。

本文主要對(duì)某一混凝土框架結(jié)構(gòu)使用防屈曲耗能支撐（BRB）進(jìn)行加固，聯(lián)合使用ANSYS，MIDAS兩種有限元軟件對(duì)加固前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇、罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)仿真分析，尤其對(duì)BRB的性能做了分析說明。

1　工程概況

某建筑物約建于2005年，為地上4層混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓（屋）面板均為混凝土現(xiàn)澆板。該建筑物1層層高為5.2 m，2層～4層層高為3.6 m，梁最大跨度7.8 m，建筑總面積為1 451 m2?，F(xiàn)將該建筑物改造升級(jí)為辦公樓，建筑結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。改造升級(jí)后建筑物1層為資料室，2層～3層為辦公室，4層為會(huì)議室和辦公室混合，樓梯間位于建筑物角部。

圖1　辦公樓結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)計(jì)算參考現(xiàn)行規(guī)范［1-4］，相關(guān)參數(shù)如下：

1）結(jié)構(gòu)形式：地上4層混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓（屋）面板均為混凝土現(xiàn)澆板。

2）材料信息：1層、3層及4層混凝土梁柱構(gòu)件抗壓強(qiáng)度為C20；2層混凝土梁柱構(gòu)件抗壓強(qiáng)度為C25；樓（屋）面板混凝土抗壓強(qiáng)度為C20，厚0.1 m。

3）地震及場(chǎng)地信息：場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為2組，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.2g，設(shè)計(jì)特征周期為0.4 s，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，重要性系數(shù)為1.0。

4）荷載信息：該建筑物地面粗糙度為C類。基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2，地形修正系數(shù)1，迎風(fēng)面體型系數(shù)0.8，背風(fēng)面體型系數(shù)-0.5。樓（屋）面荷載依據(jù)規(guī)范設(shè)定。

按照規(guī)范［3］，多遇地震作用下層間位移角極限值為1/550，經(jīng)由MIDAS計(jì)算結(jié)果顯示建筑物1層～3層最大層間位移角均超限。

2　有限元模型的建立

MIDAS建模時(shí)，梁和柱采用梁?jiǎn)卧?，樓面采用板單元，墻面荷載均布在下部的梁上。對(duì)應(yīng)的ANSYS建模，依據(jù)規(guī)范［3］對(duì)荷載的規(guī)定，將所需恒荷載和活荷載按比例進(jìn)行組合計(jì)算后以附加質(zhì)量形式輸入結(jié)構(gòu)模型中來完成建模。梁和柱都使用Beam189高階梁?jiǎn)卧?，樓面使用Shell281高階殼單元，質(zhì)量分布都采用ADMSUA附加質(zhì)量的方式。距梁0.001 m處建立新梁，以此來附加由墻面荷載轉(zhuǎn)化的質(zhì)量，然后耦合近距離的所有節(jié)點(diǎn)，使同一位置各梁一體化，達(dá)到與MIDAS梁上附加墻面荷載一致的效果。

3　有限元模型的對(duì)比驗(yàn)證

為驗(yàn)證兩種有限元模型建模方式是否保證了模型主要參數(shù)未發(fā)生較大變動(dòng)，選定未使用BRB加固的模型，將ANSYS，MIDAS的模型進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示：模型各層質(zhì)量和總質(zhì)量相對(duì)誤差在0.1%內(nèi)，模態(tài)分析前9階各階周期相對(duì)誤差最大6%，由此可見，兩種軟件建立的有限元模型基本一致，具有良好的適用性。

4　地震波選取

鑒于規(guī)范［3］中第5.1.2條規(guī)定，本文選用兩組天然波和一組人工波：San Fernando，El Centro，AW915，各地震波加速度時(shí)程曲線如圖2所示。多遇、設(shè)防、罕遇地震下加速度峰值分別為70 cm/s2，200 cm/s2，400 cm/s2。多遇地震下，三種轉(zhuǎn)換地震波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線的關(guān)系如圖3所示，對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)前三階主要振型的周期點(diǎn)上相差分別為19.1%（T1），14.8%（T2），17.8%（T3），符合“統(tǒng)計(jì)意義上相符”的規(guī)定。

5　BRB支撐設(shè)置

一共布置18個(gè)8種不同參數(shù)的BRB支撐，具體布置位置見圖4。

圖2　地震波加速度時(shí)程曲線

圖3　規(guī)范譜與地震波譜對(duì)比圖

圖4　BRB布置具體位置顯示圖

6　多遇地震分析

6.1模態(tài)分析

ANSYS，MIDAS兩種仿真軟件無BRB和有BRB有限元模型的前三階模態(tài)數(shù)據(jù)詳細(xì)對(duì)比見表1，表2。由此可知，BRB加固后結(jié)構(gòu)的模型周期有所改觀。

表1　MIDAS有無BRB模態(tài)對(duì)比

表2　ANSYS有無BRB模態(tài)對(duì)比

6.2層間位移角檢驗(yàn)

依據(jù)規(guī)范［4］，MIDAS分別計(jì)算恒載工況、活載工況、恒載+ 0.5活載工況、X向風(fēng)荷載、Y向風(fēng)荷載、X向水平地震荷載工況、Y向水平地震荷載工況7種工況下的層間位移和層間位移角。結(jié)果顯示，均滿足規(guī)范［3］要求。

6.3時(shí)程分析結(jié)果

限于篇幅和簡(jiǎn)潔性的要求，本次多遇地震時(shí)程分析結(jié)果只隨意選擇San Fernando波進(jìn)行對(duì)比分析。非線性時(shí)程分析均采用直接積分法，結(jié)構(gòu)阻尼使用瑞利阻尼，阻尼比均取0.05。依據(jù)規(guī)范［3］，將地震波的峰值調(diào)整為70 cm/s2。各層層間位移角最大值見圖5，結(jié)果顯示層間位移角滿足規(guī)范［3］層間位移角極限值1/550的要求。

圖5　ANSYS，MIDAS兩種模型各樓層最大層間位移角

7　罕遇地震時(shí)程分析

三組罕遇地震波作用下BRB加固與否兩種有限元模型各層最大層間位移角分別如圖6～圖9所示。

圖6　X向各層最大層間位移角ANSYS結(jié)果

圖7　Y向各層最大層間位移角ANSYS結(jié)果

圖8　X向各層最大層間位移角MIDAS結(jié)果

由圖6～圖9可知，各層間位移角都在1/100以內(nèi)，完全滿足規(guī)范［3］1/50的要求，并且加固的結(jié)構(gòu)層間位移角整體呈減小趨勢(shì)，說明加固后有效減弱了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。其中ANSYS，MIDAS仿真分析結(jié)果顯示層間位移角最大分別減小54.96%，49.03%。

圖9　Y向各層最大層間位移角MIDAS結(jié)果

8　多遇、罕遇地震下BRB性能分析

提取MIDAS仿真中San Fernando地震波對(duì)應(yīng)多遇、罕遇地震波作用下7號(hào)BRB支撐的變形—力滯回曲線，見圖10。其他BRB支撐的滯回曲線與7號(hào)BRB的相似，在此不再羅列。對(duì)比可知：1）多遇地震作用下，整個(gè)地震時(shí)間段內(nèi)BRB基本都處于彈性階段；2）罕遇地震作用下，BRB滯回曲線很飽滿，耗能充分，很好的體現(xiàn)出支撐在大震時(shí)既起到增加結(jié)構(gòu)附加剛度的作用，又有耗能減震的作用；3）罕遇地震作用下，最外圍較大位移幅值的滯回環(huán)比較稀疏，不是主要耗能部分，有效抑制了疲勞破壞的趨勢(shì)（BRB工作狀態(tài)頻繁接近強(qiáng)度極限的話，很容易造成往復(fù)疲勞破壞）。

圖10　S波在多遇、罕遇地震下7號(hào)BRB支撐滯回曲線

9　結(jié)語

基于BRB加固設(shè)計(jì)方法，聯(lián)合使用ANSYS和MIDAS兩種常用有限元分析軟件，以相關(guān)規(guī)范為依據(jù)，對(duì)BRB支撐加固前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震驗(yàn)算。對(duì)結(jié)構(gòu)分析可以得出結(jié)論：1）多遇、罕遇地震下，加固后結(jié)構(gòu)層間位移角均滿足規(guī)范要求；2）在罕遇地震下，層間位移角最大減小約50%，有效減弱主要構(gòu)件塑性鉸的出現(xiàn)，保證了結(jié)構(gòu)整體安全性。

參考文獻(xiàn)：

［1］GB 50367—2013，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

Buckling Restrained Brace used in reinforcement of a building

Wang Yanwu
（Hebei Academy of Building Research，Shijiazhuang 050021，China）

Abstract：In this paper，a concrete frame structure is reinforced by installing Buckling Restrained Brace（BRB）.The structure responses before and after reinforcement were analyzed under multi and rare earthquake by combination of finite element software ANSYS and MIDAS.The results show that，displacement angles between each two neighboring layers of the structure meet the standard under multi and rare earthquake，and the emergence of the plastic hinge is effectively reduced to ensure the overall safety of the structure.

Key words：Buckling Restrained Brace，structural reinforcement，energy dissipation，time-history analysis

中圖分類號(hào)：TU352.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）06-0034-03

收稿日期：2015-12-17

作者簡(jiǎn)介：王艷武（1975-），男，高級(jí)工程師