框架—帶防屈曲支撐鋼連梁核心筒結(jié)構(gòu)耗能能力分析

陳紅賓，孫維東,2

(1.長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院； 2.吉林省防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，長春130012)

框架—帶防屈曲支撐鋼連梁核心筒結(jié)構(gòu)耗能能力分析

陳紅賓1，孫維東1,2

(1.長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院； 2.吉林省防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，長春130012)

為分析帶防屈曲支撐鋼連梁新型結(jié)構(gòu)體系耗能能力，以某框架—核心筒結(jié)構(gòu)為例，其筒體部分剪力墻分別采用全樓層均為鋼筋混凝土連梁和局部層間位移較大樓層采用帶防屈曲支撐鋼連梁而其余樓層為鋼筋混凝土連梁的兩種方案，采用能量分析方法，分析了兩種方案在罕遇地震作用下的耗能能力。通過對比兩種方案的能量時程曲線可知，帶防屈曲支撐鋼連梁結(jié)構(gòu)體系能有效降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性發(fā)展，減輕結(jié)構(gòu)的破壞，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的安全。帶防屈曲支撐鋼連梁結(jié)構(gòu)體系具有良好的耗能能力。

防屈曲支撐；鋼連梁；能量分析；塑性耗能

0 引言

帶防屈曲支撐鋼連梁是一種新型的連梁型式[1-2]，由長春工程學(xué)院孫維東教授提出并對這種連梁型式進(jìn)行了如下研究：對帶防屈曲支撐鋼連梁試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了低周反復(fù)荷載作用下的試驗和理論分析，通過試驗了解了帶防屈曲支撐鋼連梁的破壞機(jī)理、滯回性能及破壞形態(tài)，試驗及理論分析結(jié)果表明，帶防屈曲支撐鋼連梁具有較高的承載力，滯回曲線飽滿，具有較好的延性[3]；對帶防屈曲支撐鋼連梁聯(lián)肢墻結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，分析了帶防屈曲支撐鋼連梁結(jié)構(gòu)體系的抗震響應(yīng)，計算結(jié)果表明帶防屈曲支撐鋼連梁結(jié)構(gòu)體系具有較好的減震效果[4-5]；李康、牛心宇還對帶防屈曲支撐鋼連梁結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)性和可行性進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)型式具有較好的經(jīng)濟(jì)性和可行性[6-7]。

帶防屈曲支撐鋼連梁是一種減震性能良好的連梁型式，為分析帶防屈曲支撐鋼連梁結(jié)構(gòu)體系的耗能能力，本文以某框架—核心筒結(jié)構(gòu)模型為例，其中筒體部分剪力墻分別采用全樓層均為鋼筋混凝土連梁和局部層間位移較大樓層采用帶防屈曲支撐鋼連梁而其余樓層為鋼筋混凝土連梁的2種方案，采用能量分析方法，分析了2種方案在罕遇地震作用下的耗能能力。擬通過對這2種方案的耗能能力進(jìn)行對比，判斷帶防屈曲支撐鋼連梁結(jié)構(gòu)體系的耗能能力。

1 結(jié)構(gòu)模型及分析方案

結(jié)構(gòu)模型采用框架—核心筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)主體高度為97.8 m，地上27層，結(jié)構(gòu)首層層高為4.2 m，2～27層層高為3.6 m，其結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置如圖1所示，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

該結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，抗震設(shè)防烈度按8度，設(shè)計地震分組按第一組，設(shè)計基本地震加速度取0.2g，建筑場地類別按Ⅱ類，設(shè)計使用年限按50 a設(shè)計，基本風(fēng)壓取0.65 kN/m2，地面粗糙度按B類，基本雪壓取0.45 kN/m2。

設(shè)計所采用的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：樓面2.0 kN/m2，屋面2.0 kN/m2，消防疏散樓梯3.5 kN/m2，電梯機(jī)房7.0 kN/m2；恒荷載(含自重)標(biāo)準(zhǔn)值為：樓面5.0 kN/m2，上人屋面5.5 kN/m2；梁上線荷載根據(jù)所填充的非承重墻體容重計算：框架梁為6.39 kN/m，次梁為4.5 kN/m；主要結(jié)構(gòu)材料：柱、梁、剪力墻、板的主筋采用HRB400，箍筋及分布筋采用HPB300，構(gòu)件尺寸及采用的混凝土強(qiáng)度等級見表1；保護(hù)層厚度：柱為30 mm，梁為25 mm，剪力墻20 mm，板20 mm；抗震等級：框架和剪力墻的抗震等級均為一級；2、3軸線上剪力墻洞口尺寸寬2.5 m，高2.6 m。該結(jié)構(gòu)設(shè)計模型在彈塑性分析下均滿足規(guī)范要求。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計模型圖

構(gòu)件構(gòu)件號截面尺寸/mm樓層/層構(gòu)件號截面尺寸/mm樓層/層材料等級所在樓層框架柱KZA11400×14001300×13001200×12001100×11001000×1000900×900800×800700×7001～45～89～1213～1516～1819～2122～2424～27KZA21300×13001200×12001100×11001000×1000900×900800×800700×700600×6001～45～89～1213～1516～1819～2122～2424～27C55C50C45C401～8層9～15層16～21層22～27層剪力墻Q14504003501～1213～2122～27Q2Q3Q4450300200全樓層C551～10層C5011～20層C4521～27層梁KL500×700全樓層L1L2200×400400×550全樓層C30全樓層

圖2 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖

方案1模型：框架—核心筒結(jié)構(gòu)模型中2、3軸線聯(lián)肢墻中全部樓層采用鋼筋混凝土連梁；方案2模型：對方案1結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了罕遇地震下的動力時程分析，由層間位移角結(jié)果確定帶防屈曲支撐鋼連梁布置在2、3軸線聯(lián)肢墻的9～20層，其余樓層采用與方案1相同的鋼筋混凝土連梁。根據(jù)連梁尺寸，帶防屈曲支撐鋼連梁桿件布置形式如圖3所示，并對帶防屈曲支撐鋼連梁與鋼筋混凝土連梁進(jìn)行了等剛度代換，且保證在罕遇地震發(fā)生時，防屈曲支撐率先屈服，計算出帶防屈曲支撐鋼連梁上下弦桿鋼材選用Q345、截面尺寸為300×400×20/25 mm；防屈曲支撐芯板鋼材采用Q235，支撐等效面積為7 000 mm2。在結(jié)構(gòu)分析軟件中防屈曲支撐采用wen模型滯回系統(tǒng)模擬[8]，主要參數(shù)：有效剛度取783 695 kN/m，屈服強(qiáng)度取1 645 kN，屈服后剛度和彈性剛度比取0.1。

圖3 帶防屈曲支撐鋼連梁桿件布置示意圖

2 能量分析法原理及地震波選取

對于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)，地震對結(jié)構(gòu)作用過程的能量的輸入、轉(zhuǎn)化和吸收可以通過能量公式(1)來表達(dá)[8]：

Ein=Ee+Ek+Ec+Eh，

(1)

式中：Ein為地震輸入結(jié)構(gòu)的總能量；Ee為結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)變能；Ek為結(jié)構(gòu)動能；Ec為結(jié)構(gòu)阻尼耗能；Eh為結(jié)構(gòu)塑性耗能。

而對于防屈曲支撐等耗能構(gòu)件的作用就是地震對結(jié)構(gòu)作用過程中能量的耗散更多地發(fā)生在防屈曲支撐等耗能構(gòu)件上，從而減小對其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耗傷，以此來提高結(jié)構(gòu)的耗能能力，其能量表達(dá)式為

(2)

式中Ed為防屈曲支撐耗能。

用能量分析法計算結(jié)構(gòu)的耗能能力時，需要將地震運動的加速度時程曲線作為地震荷載作用于結(jié)構(gòu)模型。因大部分的地區(qū)都不能找到現(xiàn)有的強(qiáng)震記錄，可以根據(jù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜人工擬合生成地震波。圖4為人工波反應(yīng)譜與規(guī)范譜曲線對比圖。根據(jù)計算模型在設(shè)防烈度為8(0.2g)度，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計分組為第一組，特征周期為0.4，地震影響系數(shù)為0.9，主方向峰值加速度400 cm/s2時，在盈建科(YJK)程序中選取了一條人工波，地震波加速度記錄如圖5所示。分析時間取30 s，以結(jié)構(gòu)縱向Y方向為主方向輸入，橫向X方向為次方向輸入，Y、X方向地震動峰值加速度比值為1∶0.85。

圖4 規(guī)范譜與反應(yīng)譜對比圖

圖5 人工地震波加速度時程曲線圖

3 2種方案耗能能力結(jié)果對比分析

傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的耗能能力與帶防屈曲支撐結(jié)構(gòu)體系耗能能力的差異主要體現(xiàn)在防屈曲支撐耗能構(gòu)件的耗能能力對整體結(jié)構(gòu)耗能的影響，本文利用盈建科軟件對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了罕遇地震下的時程分析，計算出方案1和方案2結(jié)構(gòu)模型在人工波作用下的能量時程曲線，如圖6～7所示。由圖6～7可反映出地震輸入到結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換成了動能、塑性耗能和阻尼耗能，塑性耗能包含框架梁、柱、抗震墻等構(gòu)件耗能。由于動能不參與結(jié)構(gòu)的耗能，結(jié)構(gòu)的耗能能力只能通過塑性耗能和阻尼耗能來體現(xiàn)，而塑性耗能是以結(jié)構(gòu)塑性發(fā)現(xiàn)為代價，也是結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的主要原因。圖7中對于帶防屈曲支撐鋼連梁結(jié)構(gòu)體系，地震輸入到結(jié)構(gòu)的能量一部分轉(zhuǎn)化為防屈曲支撐耗能，使耗能構(gòu)件防屈曲支撐吸收能量，有效地減少其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性耗能，來保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。

圖6 方案1結(jié)構(gòu)模型能量時程曲線

圖7 方案2結(jié)構(gòu)模型能量時程曲線

圖8～9為2種方案的塑性耗能及阻尼耗能對比圖，在相同人工地震波時程作用下，12.50 s后方案2結(jié)構(gòu)模型的防屈曲支撐(BRB)耗能穩(wěn)定，大大減小結(jié)構(gòu)的塑性耗能，能有效地保護(hù)主體結(jié)構(gòu)安全。在15 s之前2種結(jié)構(gòu)模型的阻尼耗能相差不大，而在15 s之后方案1結(jié)構(gòu)模型的阻尼耗能大于方案2，說明防屈曲支撐耗能減少了結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展，降低了整體結(jié)構(gòu)的阻尼耗能。

圖8 2種方案塑性耗能對比圖

圖9 2種方案阻尼耗能對比圖

根據(jù)盈建科程序計算得出的結(jié)構(gòu)耗能能力表，見表2可知，帶防屈曲支撐鋼連梁結(jié)構(gòu)體系能夠降低地震輸入到結(jié)構(gòu)的能量，方案2結(jié)構(gòu)模型較方案1結(jié)構(gòu)模型的塑性耗能大大降低，有效地保證主體結(jié)構(gòu)的安全。由表3結(jié)構(gòu)耗能能量比率表可知，方案2結(jié)構(gòu)模型的阻尼耗能占輸入結(jié)構(gòu)能量的主要部分，比方案1結(jié)構(gòu)模型的阻尼耗能比例提升，說明阻尼耗能在結(jié)構(gòu)整體耗能中起到重要作用。方案2結(jié)構(gòu)模型的塑性耗能與輸入到結(jié)構(gòu)的總能量比例比方案1結(jié)構(gòu)模型大幅度減小。由此可見，防屈曲支撐耗能減小了結(jié)構(gòu)其他構(gòu)件的塑性發(fā)展破壞，有效地降低了塑性耗能所占比例?？梢钥闯鰩Х狼武撨B梁在整體結(jié)構(gòu)中起到非常重要的耗能作用。

4 結(jié)語

通過對某框架—核心筒結(jié)構(gòu)在2種連梁方案于罕遇地震作用下的耗能能力對比分析表明，帶防屈曲支撐鋼連梁結(jié)構(gòu)體系降低了整體結(jié)構(gòu)的塑性耗能，減少了整體結(jié)構(gòu)的其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性發(fā)展，提高了主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的安全性，比傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系具有更好的減震耗能作用。

表2 結(jié)構(gòu)耗能能量表

表3 結(jié)構(gòu)耗能能量比率

[1] 孫維東.防屈曲支撐連梁：中國，ZL2010219480034[P].2011-03-01.

[2] 孫維東，李九陽，牛心宇，等.新型帶防屈曲支撐鋼連梁結(jié)構(gòu)體系[J].長春工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2015(1)：25-29.

[3] Sun Weidong，Li Kang，Niu Xinyu.An experimental study on seismic performance of steel truss coupling beams with buckling-restrained brace[J].The Open Civil Engineering Journal，2015(9):134-139.

[4] 孫維東，李康.框架—帶防屈曲支撐鋼連梁筒體結(jié)構(gòu)抗震性能分析[J].長春工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2015(4)：1-5.

[5] Sun Weidong，Niu Xinyu，Chen Hongbin.analysis for seismic performance of sheer wall-steel truss structure System[C]//Progress in Civil,Architectural and Hydraulic Engineering IV.London:CRC Press,2015:131-135.

[6] 李康.帶防屈曲支撐鋼連梁聯(lián)肢墻抗震性能及工程應(yīng)用研究[D].長春：長春工程學(xué)院，2015.

[7] 牛新宇.剪力墻—支撐結(jié)構(gòu)體系抗震性能及工程應(yīng)用研究[D].長春：長春工程學(xué)院，2015.

[8] 周云.防屈曲耗能支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

The Analysis of Energy Dissipation Capacity of Core Tube Structure in Steel Coupled-beam Frame and Buckling Support

CHEN Hong-bin，et al.

(SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

In order to analyze the energy dissipation capacity of the new type structural steel coupled-beam with buckling support，this paper takes a frame-core tube structure as an example to analyze the energy dissipation capacity in the case of rare earthquakes under the two schemes by using the energy analysis method.The tube part of shear wall is respectively made of reinforced concrete coupling beam in whole building，the steel coupled-beam with buckling support in local floors with larger displacement and the reinforced concrete coupling beam in the rest floors.With the comparison of the energy dissipation time-history curves of two schemes，the results show that the steel coupled-beam structure with buckling support can effectively reduce the plastic development of structural members，reduce structural damage，and protect the safety of the main structure.The steel coupled-beam structural system with buckling support has good energy dissipation capacity.

buckling support；steel coupled-beam；energy analysis；plastic energy consumption

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.004

2016-12-26

陳紅賓(1990-)，男(漢)，河南新鄉(xiāng)，碩士 主要研究建筑結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)。

TU398.2

A

1009-8984(2017)01-0015-04