多高層框排架-支撐結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

徐吉民， 高向宇， 王 峰， 王勇強(qiáng)， 張凌偉， 張江霖

(1.北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124；2.華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司， 北京 100120；3.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司， 北京 100120)

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多高層框排架-支撐結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

徐吉民1， 高向宇1， 王 峰1， 王勇強(qiáng)2， 張凌偉2， 張江霖3

(1.北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124；2.華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司， 北京 100120；3.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司， 北京 100120)

為了解決多高層框排架- 支撐結(jié)構(gòu)存在的抗震能力較弱、出現(xiàn)薄弱層等問(wèn)題，以某典型多高層框排架- 支撐結(jié)構(gòu)為實(shí)例，基于防屈曲支撐(buckling-restrained brace, BRB)消能減震技術(shù)設(shè)計(jì)了3種減震方案，并通過(guò)有限元軟件對(duì)原結(jié)構(gòu)及各方案進(jìn)行了彈塑性分析. 分析結(jié)果表明：3種方案均可改善層間位移角分布，提高結(jié)構(gòu)抗震性能，其中降剛度方案的經(jīng)濟(jì)性及減震效果均較好. 按1∶10縮尺比例分別設(shè)計(jì)制作原結(jié)構(gòu)及降剛度方案試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)靜力往復(fù)加載試驗(yàn)，驗(yàn)證了減震方案提高結(jié)構(gòu)阻尼比及抗震性能的效果.

框排架；防屈曲支撐；消能減震；抗震設(shè)計(jì)

多高層框排架- 支撐結(jié)構(gòu)是由多層或高層框架、局部排架和支撐共同組成的結(jié)構(gòu)體系，可為工業(yè)生產(chǎn)提供較大的工作空間、安放大型工業(yè)及動(dòng)力設(shè)施. 我國(guó)在高烈度抗震設(shè)防區(qū)建造大型火電廠主廠房的首選結(jié)構(gòu)型式即為多高層框排架結(jié)構(gòu). 該結(jié)構(gòu)雖然具有較高的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，但普通鋼支撐在強(qiáng)震下受壓易產(chǎn)生屈曲現(xiàn)象，可能造成支撐本身及連接部件的破壞或失效，降低結(jié)構(gòu)整體抗震性能. 由于生產(chǎn)設(shè)計(jì)的客觀條件，主廠房還存在平面、空間布置不規(guī)則，質(zhì)量剛度分布不均勻，局部荷載過(guò)大，薄弱部位多生等問(wèn)題，難以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所要求的多道抗震防線及性態(tài)化設(shè)計(jì)的要求. 文獻(xiàn)[1-3]分別對(duì)鋼筋混凝土及鋼結(jié)構(gòu)火電廠主廠房子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擬動(dòng)力及擬靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼筋混凝土主廠房耗能效果較差，在高烈度抗震設(shè)防地區(qū)宜采用消能減震措施. 鋼結(jié)構(gòu)主廠房整體抗震性能較好，但底部梁柱及支撐過(guò)早地進(jìn)入塑性屈服使得整體結(jié)構(gòu)的位移延性、耗能能力未能得以充分發(fā)揮. 文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了圓筒式鉛擠壓消能支撐替代普通支撐的子結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明：消能支撐框架體系具有良好的抗震性能，優(yōu)于一般框架，但圓筒式鉛擠壓消能支撐的構(gòu)造不甚合理、易失穩(wěn)，建議采取改進(jìn)措施.

防屈曲支撐(buckling-restrained brace，BRB)作為一種新型消能減震裝置，在芯材屈服后支撐整體不發(fā)生屈服變形，可繼續(xù)為主體結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定剛度與阻尼，避免主體結(jié)構(gòu)發(fā)生大的不可逆變形. 國(guó)內(nèi)外學(xué)者在BRB工程應(yīng)用方面已取得較多研究成果[5-9]，形成較成熟的BRB消能減震技術(shù)，但對(duì)于多高層框排架- 支撐結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用研究仍未見(jiàn)報(bào)道.

本文采用防屈曲支撐作為減震裝置替換原結(jié)構(gòu)普通支撐，并以天津某1 000 MW火力發(fā)電廠主廠房為背景工程，提出3種減震設(shè)計(jì)方案，通過(guò)有限元非線性分析得出最優(yōu)的方案及支撐布置方式，并設(shè)計(jì)制作框排架- 普通支撐(frame-bent brace，F(xiàn)-B)及框排架- 防屈曲支撐(frame-bent BRB，F(xiàn)-BRB)子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行靜力往復(fù)加載試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)研究了2種結(jié)構(gòu)的抗震性能，為多高層框排架- 支撐消能減震的研究與設(shè)計(jì)提供參考.

1 工程概況

1.1 工程背景

選取天津市某1 000 MW火力發(fā)電廠框排架- 支撐鋼結(jié)構(gòu)主廠房(包含汽機(jī)跨、除氧間及煤倉(cāng)間)作為研究的背景工程. 結(jié)構(gòu)平面圖及橫向立面圖如圖1、2所示，其中主梁、次梁、A～B軸柱為工字型截面，C、D軸柱為箱型截面，鋼結(jié)構(gòu)材料采用Q345，樓板采用C20混凝土. 廠房最高處標(biāo)高61.05 m，建筑設(shè)防類(lèi)別乙類(lèi)，抗震設(shè)防烈度8度，場(chǎng)地類(lèi)別IV類(lèi)，設(shè)計(jì)地震分類(lèi)一組，特征周期0.65 s. 其中縱向布置支撐153根，橫向布置支撐151根.

1.2 原結(jié)構(gòu)抗震性能分析

采用有限元分析軟件SAP2000建立主廠房結(jié)構(gòu)非線性3D模型. 樓板采用殼單元，梁、普通支撐及柱采用三維空間框架單元模擬. 鋼材本構(gòu)關(guān)系為多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，整體結(jié)構(gòu)阻尼比取0.035. 結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服后的性能可通過(guò)離散鉸進(jìn)行模擬，框架梁、柱的塑性鉸分別定義為彎矩鉸(M3)及耦合鉸(PMM)，普通支撐采用修正后的軸力鉸[10].

對(duì)規(guī)范譜(c-s)、Elcentro、New-hall、Taft、Hachinohe、天津及人工地震波進(jìn)行波譜分析，結(jié)果如圖3所示，α為地震影響系數(shù)，結(jié)構(gòu)前三階周期分別為1.221、1.051、0.937 s，考慮到該工程位于天津市，故選取天津、New-hall及人工(Arti)地震波進(jìn)行非線性時(shí)程分析. 由于結(jié)構(gòu)縱向?yàn)槌Ｒ?jiàn)框架結(jié)構(gòu)，主要針對(duì)結(jié)構(gòu)橫向進(jìn)行抗震性能分析與消能減震設(shè)計(jì).

圖4為罕遇烈度地震下主廠房橫向結(jié)構(gòu)各層的層間位移角包絡(luò)圖. 可以看出：結(jié)構(gòu)第6層為薄弱層；天津波作用下的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)最大，天津波和New-hall波的最大層間位移角θmax分別為1/36、1/49，均不滿足抗震規(guī)范要求，需采取措施減小結(jié)構(gòu)響應(yīng).

2 減震方案設(shè)計(jì)分析

2.1 防屈曲支撐設(shè)計(jì)原則

根據(jù)防屈曲支撐消能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，消能支撐應(yīng)在主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性之前產(chǎn)生屈服，即BRB屈服位移小于主體結(jié)構(gòu)的屈服位移. 為了保證防屈曲支撐較好地發(fā)揮振動(dòng)控制和耗能減震作用，布置支撐時(shí)通常還需考慮支撐與主體結(jié)構(gòu)剛度的匹配性. 文獻(xiàn)[11]中對(duì)不同剛度比(防屈曲支撐抗側(cè)剛度與主體結(jié)構(gòu)各層層間剛度的比值)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性時(shí)程分析，結(jié)果表明：剛度比達(dá)到4后，剛度比對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響逐漸減弱. 但文中所研究的是層高及各層層間剛度一致的較規(guī)則型式結(jié)構(gòu). 而框排架- 支撐結(jié)構(gòu)通常應(yīng)用于結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、層高及層間剛度不等的工業(yè)建筑，此時(shí)無(wú)法依據(jù)統(tǒng)一的剛度比作為防屈曲支撐的設(shè)計(jì)原則.

本文綜合考慮框排架- 支撐結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和地震響應(yīng)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)基于原剛度、基于層間剪力及降剛度分配BRB三種減震方案.

2.2 減震方案

框排架消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖5所示. 基于原剛度方案中支撐剛度設(shè)計(jì)值采用原結(jié)構(gòu)支撐考慮受壓穩(wěn)定性后所得軸向剛度值. 該方案便于傳統(tǒng)框排架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師熟悉與應(yīng)用；基于層間剪力方案是在通過(guò)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)在等效地震作用下各層層間剪力的基礎(chǔ)上，調(diào)整BRB布局分配，使結(jié)構(gòu)層間位移角、扭轉(zhuǎn)響應(yīng)更趨于合理；降剛度方案基于上述方案，進(jìn)一步降低BRB剛度，以充分發(fā)揮BRB在設(shè)防地震和罕遇地震下耗能減震的優(yōu)勢(shì)，取得一定的經(jīng)濟(jì)效益.

防屈曲支撐軸向剛度、抗側(cè)剛度、工作段鋼芯截面積之間滿足式關(guān)系式[12]

(1)

式中kb、E、Ab、φ、lt、k、χ、η分別表示防屈曲支撐層間剛度、彈性模量、工作段鋼芯截面積、支撐傾角、連接支撐的梁柱截面中心間距、扣除構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)板尺寸長(zhǎng)度系數(shù)、工作段長(zhǎng)度系數(shù)、連接段放大系數(shù).

為比較3種方案的耗能減震效果，在設(shè)計(jì)背景工程基于原剛度(P1)與基于層間剪力(P2)方案時(shí)令所有防屈曲支撐工作段截面面積之和相同，降剛度方案(P3)基于P2方案設(shè)計(jì). 最終各方案每層防屈曲支撐內(nèi)核工作段截面面積如表1所示.

表1 3種方案各層支撐內(nèi)核截面面積之和

2.3 方案分析

模型中BRB采用連接單元模擬，力學(xué)本構(gòu)關(guān)系采用Wen塑性模型，屈服后剛度比為0.05.

2.3.1 模態(tài)分析

主廠房原結(jié)構(gòu)及3種減震方案的前三階周期結(jié)果對(duì)比如表2所示，4種結(jié)構(gòu)的振型均依次為一階縱向平動(dòng)、二階橫向平動(dòng)、三階整體扭轉(zhuǎn).

由于減震方案僅替換橫向普通支撐，故結(jié)構(gòu)縱向一階周期基本無(wú)變化，P3方案降低了橫向支撐剛度，故二階周期較原結(jié)構(gòu)增大11.2%，其余2個(gè)方案變化較小，結(jié)果與方案的剛度變化一致.

表2 周期對(duì)比

2.3.2 動(dòng)力非線性時(shí)程分析

同樣選取天津，New-hall及人工地震波對(duì)減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時(shí)程分析，主要討論罕遇地震作用下的計(jì)算結(jié)果，輸入地震加速度幅值為400 cm/s2. 原結(jié)構(gòu)及減震方案在各地震波下的頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線如圖6所示，基底剪力及頂點(diǎn)位移最大值見(jiàn)表3. 可以看出，各減震方案的基底剪力及頂點(diǎn)位移相比于原結(jié)構(gòu)均顯著減小，證明BRB可有效降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng). 由于減小了支撐剛度，P3方案中的頂點(diǎn)側(cè)移稍大于P1、P2方案，但基底剪力顯著降低，利于主體梁柱構(gòu)件的進(jìn)一步優(yōu)化.

地震波原結(jié)構(gòu)P1P2P3基底剪力/kN頂點(diǎn)位移/mm基底剪力/kN頂點(diǎn)位移/mm基底剪力/kN頂點(diǎn)位移/mm基底剪力/kN頂點(diǎn)位移/mm天津波261083566.4216601476.9214778459.1178322495.6New-hall波214230389.1187079336.2184634349.0162612373.3人工波177924294.9139661209.8137476216.1119087228.0

如圖7所示，在3條地震波作用下，原結(jié)構(gòu)的第6層層間位移角均較大，這是由于該層為電廠煤斗所在處，施加于結(jié)構(gòu)的荷載極大，在地震加速度作用下產(chǎn)生較大響應(yīng)，且本層層高達(dá)10.5 m，普通支撐易進(jìn)入屈服，產(chǎn)生較大屈曲塑性變形，進(jìn)而形成結(jié)構(gòu)薄弱層. P1方案中結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)有所減小，結(jié)構(gòu)薄弱層抗震能力顯著提高，但各層層間位移角差別依然較大，P2、P3層間位移角分布較合理，說(shuō)明減震方案有效地調(diào)節(jié)了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，使之變化均勻，考慮經(jīng)濟(jì)效益，P3為較優(yōu)方案.

觀察天津波罕遇地震作用下同一結(jié)構(gòu)部位塑性鉸的分布及出現(xiàn)順序，研究結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制，如圖8所示(數(shù)字為塑性鉸出現(xiàn)順序). 可以看出，原結(jié)構(gòu)塑性鉸首先出現(xiàn)在底層及薄弱層支撐處，底層梁柱開(kāi)始屈服并產(chǎn)生B鉸后，結(jié)構(gòu)變形逐漸集中于薄弱層，該層支撐最終進(jìn)入E鉸即完全破壞階段. 各減震方案的塑性鉸發(fā)展趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)為底層BRB首先進(jìn)入塑性耗能狀態(tài)，隨著地震波加速度的不斷增大，上層結(jié)構(gòu)BRB逐步開(kāi)始屈服耗能，底層梁柱亦出現(xiàn)B鉸，而原薄弱層處的梁柱無(wú)塑性鉸產(chǎn)生. 圖8說(shuō)明了減震方案可有效調(diào)整結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度及內(nèi)力分布，使結(jié)構(gòu)塑性鉸分布更趨于合理.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

上述分析結(jié)果表明減震方案可有效提高框排架結(jié)構(gòu)抗震性能. 但框排架- 普通支撐(F-B)及框排架- 消能支撐(F-BRB)結(jié)構(gòu)受力破壞機(jī)制、恢復(fù)力特性等問(wèn)題尚需通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證.

研究選取上述原結(jié)構(gòu)及P3方案中的⑦軸(見(jiàn)圖1)為原型設(shè)計(jì)2個(gè)子結(jié)構(gòu)實(shí)體對(duì)比模型. 模型設(shè)計(jì)比例1∶10，頂層結(jié)構(gòu)等效為均布荷載施加至第6層頂板處，模型高度4.51 m. 采用靜力往復(fù)加載系統(tǒng)加載至相同最大位移值，豎向荷載通過(guò)重力砝碼模擬，水平荷載通過(guò)液壓千斤頂施加，見(jiàn)圖9.

完成的低周往復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比研究結(jié)果表明，F(xiàn)-B結(jié)構(gòu)在加載至較大位移時(shí)，底層普通支撐明顯整體屈曲，受壓時(shí)較受拉狀態(tài)承載力大幅削弱，最終破壞形態(tài)表現(xiàn)為底層梁柱焊縫開(kāi)裂，柱腳發(fā)生平面外屈曲，排架柱出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形.

F-BRB在F-B結(jié)構(gòu)支撐出現(xiàn)屈曲的同等加載工況下，底層支撐鋼芯與套管產(chǎn)生明顯的相對(duì)位移，而整體無(wú)屈曲，支撐最終破壞形式表現(xiàn)為連接端屈曲. 圖10為2個(gè)子結(jié)構(gòu)模型的水平荷載- 頂點(diǎn)側(cè)移骨架曲線對(duì)比. 由于減震方案降低了支撐剛度，F(xiàn)-B最大受拉承載力高于F-BRB. 但F-B結(jié)構(gòu)正負(fù)向最大位移處的荷載相差13.7%，而F-BRB結(jié)構(gòu)僅相差0.5%，說(shuō)明F-BRB結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性后的正負(fù)向剛度變化較一致，受壓承載能力顯著提高.

圖11為2個(gè)子結(jié)構(gòu)模型的等效黏滯阻尼比對(duì)比，可以看出，正負(fù)向加載時(shí)結(jié)構(gòu)等效黏滯阻尼比變化趨勢(shì)基本一致. 在同等位移條件下，F(xiàn)-BRB較F-B結(jié)構(gòu)的阻尼比明顯提高，體現(xiàn)了BRB在結(jié)構(gòu)中所發(fā)揮的滯回耗能作用.

4 結(jié)論

1) 研究提出的基于原剛度、基于層間剪力及降剛度分配BRB三種減震方案均可有效提高結(jié)構(gòu)抗震能力，比較結(jié)構(gòu)各層地震響應(yīng)及經(jīng)濟(jì)效益，降剛度方案為較優(yōu)方案.

2) 傳統(tǒng)框排架- 支撐結(jié)構(gòu)各層支撐及薄弱層處在罕遇地震下的塑性變形較大，減震方案結(jié)構(gòu)的塑性變形集中于防屈曲支撐及結(jié)構(gòu)底層，符合規(guī)范抗震設(shè)防體系的思路.

3) 框排架- 消能支撐(F-BRB)子結(jié)構(gòu)模型在拉壓荷載下剛度變化基本一致，其阻尼比較框排架- 普通支撐(F-B)顯著提高，防屈曲支撐連接端建議加強(qiáng).

4) 多高層框排架- 支撐結(jié)構(gòu)在層高較高，荷載較大的結(jié)構(gòu)層易出現(xiàn)薄弱層，需采取措施降低結(jié)構(gòu)響應(yīng). 建議采用防屈曲支撐對(duì)傳統(tǒng)框排架- 支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震設(shè)計(jì)，可保證在結(jié)構(gòu)承載力的前提下，較好地調(diào)節(jié)剛度分布，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄弱層.

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(責(zé)任編輯 鄭筱梅)

Earthquake-reduction Design and Experimental Research of Multi-story and High Rise Frame-bent Structure With Braces

XU Jimin1, GAO Xiangyu1, WANG Feng1, WANG Yongqiang2, ZHANG Lingwei2, ZHANG Jianglin3

(1.Beijing Key Lab of Earthquake Engineering and Structural Retrofit, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2.North China Electric Power Design Institute Co. Ltd., Beijing 100120, China; 3.China Power Engineering Consulting Group Corporation, Beijing 100120, China)

To improve the seismic performance of the multi-story and high rise frame structure, three kinds of vibration isolation schemes were proposed in this paper based on the energy dissipation technique of BRB (buckling-restrained brace, BRB). Taking a typical multi-story and high rise frame-bent structure with braces as an example, the nonlinear finite element analysis was carried out to quantify the effect of these schemes. The research results show that all these schemes significantly improve the distribution of storey drift angle and seismic performance of the structure, and in which, the scheme of reduced stiffness achieved excellent performance both in economy and security. Verification of the model was carried out by a cyclic loading experiment of 1∶10 models of the frame-bent structure with braces and satisfactory agreement was obtained.

frame-bent structure；buckling-restrained brace；energy dissipation and seismic reduction；seismic design

2016- 04- 13

北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(8141001)

徐吉民(1989—)， 男， 博士研究生， 主要從事建筑結(jié)構(gòu)減震控制方面的研究， E-mail:xyzh889@163.com

TU 352.1

A

0254-0037(2016)12-1841-07

10.11936/bjutxb2016040038