防屈曲支撐在高層鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

林純

摘 要：簡(jiǎn)要介紹數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法，并基于該方法對(duì)裝配防屈曲支撐的高層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震動(dòng)力響應(yīng)分析，深入研究在地震損傷過程中防屈曲支撐構(gòu)件數(shù)量、位置對(duì)于結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的影響。

關(guān)鍵詞：數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法；防屈曲支撐；高層鋼結(jié)構(gòu)；地震動(dòng)力響應(yīng)分析

中圖分類號(hào)：TU973+.13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）22-0034-04

Abstract： The numerical substructure method is briefly introduced， and based on this method， the seismic dynamic response of high-rise steel structures with buckling-restrained braces is analyzed. The influence of the number and position of anti-buckling braces on the overall response of structures in the process of earthquake damage is studied in depth.

Keywords： numerical substructure method； buckling-restrained braces； high-rise steel structure； seismic dynamic response analysis

引言

實(shí)際工程中經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)在荷載作用下，僅局部區(qū)域進(jìn)入非線性甚至強(qiáng)度破壞而其余區(qū)域仍處于彈性或小變形狀態(tài)，整體非線性效應(yīng)不可被忽略，上述屬于局部非線性系統(tǒng)。隨著我國(guó)對(duì)大型土木工程的需求持續(xù)增加及結(jié)構(gòu)類型、構(gòu)件和材料復(fù)雜化，此類現(xiàn)象日益突出。現(xiàn)諸多學(xué)者針對(duì)局部非線性系統(tǒng)的響應(yīng)分析進(jìn)行深入研究并提出響應(yīng)計(jì)算方法。新型數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法利用大規(guī)模結(jié)構(gòu)局部非線性特征，又考慮結(jié)構(gòu)地震損傷和破壞全過程中局部損傷部位和演化路徑的不可預(yù)知性，兼顧計(jì)算精度和效率，與其他方法相比具有一定的優(yōu)越性[1]。

防屈曲支撐（BRB）是一種新型支撐形式，能有效防止支撐在受壓條件下的屈曲，具有良好的延性及耗能性能。目前BRB構(gòu)件作為消能減震構(gòu)件廣泛用于高層建筑結(jié)構(gòu)中。BRB構(gòu)件在小地震下處于線彈性狀態(tài)；而在中震及大震下，核心單元屈服進(jìn)入塑性，具有金屬阻尼器的耗能能力，從而使得主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性范圍內(nèi)。由于BRB構(gòu)件能夠全面提升傳統(tǒng)支撐在中震和大震下的抗震性能，故目前作為消能減震構(gòu)件被廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)中[2-3]，并在高層建筑結(jié)構(gòu)中加以利用[4]。由于防屈曲支撐構(gòu)件的重要性，將數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法拓展至裝配BRB構(gòu)件高層建筑結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力分析是非常必要的。BRB構(gòu)件雖然概念簡(jiǎn)單明確，但工作機(jī)理較為復(fù)雜[5]，須對(duì)其深入分析BRB構(gòu)件耗能機(jī)理等。

本文基于數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法對(duì)裝配防屈曲支撐的高層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震動(dòng)力響應(yīng)分析，深入研究在地震損傷過程中防屈曲支撐構(gòu)件數(shù)量、位置對(duì)結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的影響。

1 數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法

數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法采用非精細(xì)化主結(jié)構(gòu)模型對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬并用線彈性有限元分析。同時(shí)建立精細(xì)化的隔離子結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)入非線性狀態(tài)的構(gòu)件進(jìn)行精確高效模擬。主、子結(jié)構(gòu)間通過“非線性修正力”建立邊界位移和力平衡方程并用Client-Server（CS）技術(shù)進(jìn)行模擬。數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法具體計(jì)算流程如圖1所示。

本文將防屈曲支撐構(gòu)件作為關(guān)鍵構(gòu)件，直接對(duì)其隔離并建立精細(xì)化模型，無(wú)需進(jìn)行塑性判斷。

2 裝配防屈曲支撐的高層鋼結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文以一原裝配鋼支撐高層鋼框架結(jié)構(gòu)核心筒模型為研究對(duì)象進(jìn)行分析，探討防屈曲支撐數(shù)量、位置對(duì)于結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的影響，模型如圖2所示。

2.1 防屈曲支撐模型參數(shù)的選取

模型中采用的防屈曲支撐力學(xué)模型由Zona等開發(fā)，該模型滯回關(guān)系簡(jiǎn)單，參數(shù)意義明確，可精確模擬BRB力學(xué)行為[6]。BRB模型的內(nèi)部參數(shù)值見表1。其中E0為彈性模量， 為初始屈服應(yīng)力， 為拉伸條件下的極限應(yīng)力， 為壓縮條件下的極限應(yīng)力， 為彈性至塑性過渡形狀控制參數(shù)， 為硬化模量， 為硬化率。

2.2 五種不同設(shè)計(jì)方案

在原模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)五種不同防屈曲支撐替換率的方案進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3所示。方案一為原模型，即所有支撐均為鋼支撐；方案二將結(jié)構(gòu)1～8層鋼支撐替換為BRB構(gòu)件，替換率為25%；方案三將結(jié)構(gòu)1～16層鋼支撐替換為BRB構(gòu)件，替換率為50%；方案四將結(jié)構(gòu)1～24層鋼支撐替換為BRB構(gòu)件，替換率為75%；方案五將結(jié)構(gòu)所有鋼支撐均替換為BRB構(gòu)件，替換率為100%。

2.3 高層鋼結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)比較分析

算例中分別采用非迭代數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法及常規(guī)建模方法計(jì)算結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)，采用Taft地震波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，地震波時(shí)間步長(zhǎng)為0.01s，總時(shí)長(zhǎng)為20s，如圖4所示。

圖5、圖6分別為五種方案的模型在Taft地震波作用下外框架角柱A及內(nèi)核心筒角柱B的層間位移包絡(luò)圖。規(guī)范[7]中規(guī)定地震作用下鋼結(jié)構(gòu)最大層間位移角限值為1/250，結(jié)合圖可得五種方案在地震作用下的最大層間位移角為1/270，符合設(shè)計(jì)規(guī)范。如圖所示，結(jié)構(gòu)在未布置任何BRB構(gòu)件情況下層間位移角最大。結(jié)構(gòu)的最大層間位移角隨著BRB構(gòu)件的替換率增大而逐漸減小。在替換率達(dá)到50%，即結(jié)構(gòu)1～16層均為BRB構(gòu)件情況下結(jié)構(gòu)最大層間位移角發(fā)生明顯變化。替換率超過50%之后，結(jié)構(gòu)最大層間位移角的下降趨勢(shì)較不顯著。通過五種方案的對(duì)比，可得到防屈曲支撐構(gòu)件與普通鋼支撐相比具有較好的耗能性能。此外，當(dāng)對(duì)普通鋼支撐替換率為50%時(shí)，結(jié)構(gòu)抗震性能得到顯著提升。當(dāng)替換率為75%時(shí)，結(jié)構(gòu)抗震性能與全裝配防屈曲支撐構(gòu)件相比基本相同。

圖7、圖8分別為五種方案的模型在Taft地震波作用下外框架角柱及內(nèi)核心筒角柱各樓層剪力變化圖。如圖所示，樓層剪力隨層高的增加而逐漸減小，但當(dāng)達(dá)到一定層高，減小趨勢(shì)變得緩慢。結(jié)構(gòu)在未布置任何BRB構(gòu)件情況下剪力值最大，剪力值隨著BRB構(gòu)件的替換率增大而逐漸減小。內(nèi)核心筒角柱剪力變化比外框架角柱剪力變化明顯，主要原因?yàn)锽RB構(gòu)件布置于核心筒區(qū)域，所以對(duì)該區(qū)域作用最為明顯。在替換率達(dá)到50%時(shí)，即結(jié)構(gòu)1～16層均為BRB構(gòu)件情況下，結(jié)構(gòu)最大剪力發(fā)生明顯變化。通過五種方案的對(duì)比，可得防屈曲支撐構(gòu)件具有較好的耗能性能。此外，當(dāng)對(duì)普通鋼支撐替換率為50%時(shí)，結(jié)構(gòu)抗震性能得到顯著提升。當(dāng)替換率為75%時(shí)，結(jié)構(gòu)抗震性能與全裝配防屈曲支撐構(gòu)件相比基本相同。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法對(duì)裝配防屈曲支撐的高層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，并進(jìn)一步研究防屈曲支撐構(gòu)件數(shù)量、位置等對(duì)結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的作用。對(duì)原結(jié)構(gòu)中的鋼支撐進(jìn)行替換，提出五種不同替換率的方案。數(shù)值結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)在全裝配普通鋼支撐的情況下，層間位移角及剪力值均最大；而在全裝配防屈曲支撐的情況下，層間位移角及剪力值最小。防屈曲支撐在結(jié)構(gòu)底部能充分發(fā)揮耗能作用，故將結(jié)構(gòu)底部的普通鋼支撐換為防屈曲支撐能有效減小結(jié)構(gòu)的層間位移角及剪力值。五種方案的比較顯示，當(dāng)替換率達(dá)到50%時(shí)，即結(jié)構(gòu)底部1～16層的普通鋼支撐全替換為防屈曲支撐，結(jié)構(gòu)性能得到顯著改善；當(dāng)替換率為75%時(shí)，結(jié)構(gòu)性能已經(jīng)與全裝配防屈曲支撐的結(jié)構(gòu)性能基本一致。從而驗(yàn)證BRB構(gòu)件的耗能性能優(yōu)于普通鋼支撐，且基于50%～75%范圍對(duì)結(jié)構(gòu)底部的普通鋼支撐進(jìn)行替換時(shí)既能充分發(fā)揮防屈曲支撐的耗能作用也能使經(jīng)濟(jì)效益最大化。

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