局部錯層框架結(jié)構(gòu)混合減震分析

龍錦添 陳 瑤 王 輝 黎良輝

(廣州大學土木工程學院,廣州 510006)

0 引 言

隨著工程建設(shè)的不斷發(fā)展和進步,錯層結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中,但是錯層結(jié)構(gòu)由于樓板錯層,使得交接部位容易形成豎向短構(gòu)件(如短柱構(gòu)件),從而導致錯層結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、剛度突變等問題,并且錯層處的框架柱受力復雜,易發(fā)生短柱受剪破壞,對結(jié)構(gòu)不利于抗震[1-3]。文獻[4]對結(jié)構(gòu)的布置跨數(shù)和布置方式進行分析,研究不同布置方式對高層錯層結(jié)構(gòu)的影響;文獻[5]對剪力墻錯層建筑結(jié)構(gòu)進行靜力和動力彈塑性分析,給出了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下抗震性能評估;文獻[6]對帶有轉(zhuǎn)換層的錯層結(jié)構(gòu)進行振動臺試驗和有限元計算分析,得出模型試驗結(jié)果與計算結(jié)果沿高度分布規(guī)律一致;文獻[7]對住宅小區(qū)錯層結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與分析,結(jié)果表明對錯層結(jié)構(gòu)采取嚴格的抗震措施和性能化設(shè)計后,可以有效提高錯層結(jié)構(gòu)的抗震性能。

消能減震技術(shù)應(yīng)用于錯層結(jié)構(gòu)的研究較少,為解決結(jié)構(gòu)的層間位移角和位移比不滿足規(guī)范限值以及分析錯層框架柱的內(nèi)力性能等問題,對結(jié)構(gòu)增設(shè)防屈曲耗能支撐和黏滯阻尼器進行混合減震控制分析,以減輕結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng),從而更好地保護主體結(jié)構(gòu)免受地震破壞。

1 工程概況

本工程為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)高11.35 m,結(jié)構(gòu)平面尺寸為橫向長度約為18.2 m,縱向長度約為26.7 m,結(jié)構(gòu)主要梁柱尺寸為550 mm×300 mm、500 mm×500 mm,混凝土采用C30。結(jié)構(gòu)有5層,最大層高為4.3 m,最小層高為2.5 m,結(jié)構(gòu)第四層存在錯層。該工程處在抗震設(shè)防烈度為7度地區(qū),地震分組為第三組,場地類別為Ⅱ類。圖1為結(jié)構(gòu)三維示意圖,圖2為結(jié)構(gòu)的建筑平面圖,圖3為結(jié)構(gòu)A抽線立面圖。

圖1 結(jié)構(gòu)三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic of structure

圖2 建筑平面圖(單位:mm)Fig.2 Plan of building (Unit:mm)

圖3 A軸立面圖(單位:mm)Fig.3 Fa?ade map of A axis (Unit:mm)

2 建立結(jié)構(gòu)模型并驗證

利用SAP2000軟件建立結(jié)構(gòu)三維模型,并結(jié)合PKPM模型進行對比校核,以驗證模型的準確性。結(jié)構(gòu)PKPM模型質(zhì)量為2 768 t,SAP2000模型質(zhì)量為2 763 t,誤差僅為0.17%;表1、表2和表3分別為SAP2000模型和PKPM模型的周期、剪力和層間位移角,周期誤差最大為0.68%,剪力誤差最大為3.73%,層間位移角最大誤差為3.95%?？梢?兩個模型的質(zhì)量、周期、剪力、層間位移角誤差都在5%以內(nèi),有效驗證了該模型的正確性,能夠反映結(jié)構(gòu)的動力特性,可用于后續(xù)計算分析。

表1PKPM與SAP2000模型周期對比

Table 1 Comparison of period in PKPM model and ETABS model

注：誤差=|(SAP2000-PKPM)/PKPM|×100%

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱為《抗規(guī)》)3.4.3-1條對于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的定義為:在規(guī)定的水平力作用下,樓層的最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移),大于該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值的1.2倍。規(guī)范對樓層扭轉(zhuǎn)位移比α的計算可以定義為

(1)

式中:δ1為樓層最大的彈性水平位移;δ2為樓層最小的彈性水平位移。

樓層扭轉(zhuǎn)位移比α越大,說明相對層間位移越大,樓層結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件越容易破壞,扭轉(zhuǎn)變形越大。

由表4可知,結(jié)構(gòu)錯層樓層處的位移比大于1.2,屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu);由表2和表3可知,原始結(jié)構(gòu)第2層的層間位移角超限,不滿足彈性層間位移角限值1/550。該結(jié)構(gòu)存在錯層,錯層兩側(cè)的樓板相互交錯,不在同一平面內(nèi),造成了錯層柱缺乏框架梁的約束作用,從而造成了結(jié)構(gòu)水平抗側(cè)剛度降低,層間位移角峰值偏大。擬布置VD和BRB進行混合減震控制,改善結(jié)構(gòu)的層間位移角和控制結(jié)構(gòu)錯層樓層的位移比進而減少結(jié)構(gòu)因錯層引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

圖4 平面扭轉(zhuǎn)變形示意圖Fig.4 Torsion deformation graph

表2PKPM模型與SAP2000模型X向樓層剪力和層間位移角對比

Table 2 Comparison of X direction story shear and interlayer displacement angle in PKPM model and ETABS model

表3PKPM模型與SAP2000模型Y向樓層剪力和層間位移角對比

Table 3 Comparison of Y direction story shear and interlayer displacement angle in PKPM model and ETABS model

注：誤差=|(SAP2000-PKPM)/PKPM|×100%

表4原結(jié)構(gòu)位移比

Table 4 Displacement ratio of original structure

3 地震波的選取

《抗規(guī)》規(guī)定,進行彈性時程分析時每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%,多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值均不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%。綜上所述,本工程擬選取5條實際強震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線對結(jié)構(gòu)進行時程分析。7條地震波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線對比如圖5所示,可以看出,兩者在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點上(T1、T2、T3)相差不大于20%,符合規(guī)范要求。

4 消能器布置方案及參數(shù)設(shè)置

消能器布置時應(yīng)盡可能分散布置,并且布置在層間相對位移較大的樓層,這樣可使結(jié)構(gòu)在兩個水平主軸方向的動力特性相近,避免結(jié)構(gòu)形成明顯的薄弱樓層和扭轉(zhuǎn),也可以提高消能器的減震效率。經(jīng)反復調(diào)試計算下,擬布置4套VD和3套BRB。VD布置在結(jié)構(gòu)的第2層;BRB布置在結(jié)構(gòu)的第4層。VD和BRB設(shè)計參數(shù)分別見表5,消能器布置平面圖和安裝示意圖分別如圖6和圖7所示。

圖5 7條地震波加速度時程曲線與反應(yīng)譜曲線圖對比Fig.5 Comparisons of time history and response spectrum of seven seismic waves

圖6 消能器布置平面圖(單位:mm)Fig.6 Energy dissipater layout plan (Unit:mm)

圖7 消能器安裝示意圖Fig.7 Installation diagram of energy dissipater

表5VD和BRB設(shè)計參數(shù)

Table 5 Design parameters of VD and BRB

5 有限元計算結(jié)果分析

5.1 層間位移角和位移比對比分析

本結(jié)構(gòu)第4層存在錯層,樓板不在同一個平面內(nèi),橫向框架梁沒有相互貫通,錯層部分的側(cè)向位移較大,使得結(jié)構(gòu)在錯層處的位移比不滿足規(guī)范要求,增加VD和BRB來控制結(jié)構(gòu)的位移比是有效的措施。表6為結(jié)構(gòu)進行減震后的位移比均值,由表6可知,增加VD和BRB進行減震后,結(jié)構(gòu)錯層部分的位移比控制在1.2以下。由此可知,布置VD和BRB后,能夠有效控制錯層部分的位移比并改善結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震作用下的層間位移角如圖8所示。從圖中可知,原結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的層間位移角大于規(guī)范限值1/550,不滿足規(guī)范要求。對結(jié)構(gòu)增設(shè)BRB和VD進行減震后,結(jié)構(gòu)的層間位移角有明顯降低。多遇地震作用下,減震后結(jié)構(gòu)X向最大層間位移角由1/497降低到1/789,最大減震效果達37.05%;減震后結(jié)構(gòu)Y向最大層間位移角由1/467降低到1/781,最大減震效果達40.24%;罕遇地震作用下,原結(jié)構(gòu)層間位移角較減震結(jié)構(gòu)也有明顯降低,X向?qū)娱g位移角約減少19.24%,Y向?qū)娱g位移角約減少28.09%。說明VD和BRB在多遇地震和罕遇地震作用下均發(fā)揮了很好的耗能能力,能夠提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

圖8 層間位移角對比分析Fig.8 Comparative analysis of interlayer displacement angle

結(jié)構(gòu)在多遇地震波(DZ6)作用下的頂點位移時程曲線如圖9所示。由圖可知,對結(jié)構(gòu)增設(shè)BRB和VD進行減震后,減震結(jié)構(gòu)的頂點位移相對原結(jié)構(gòu)有減少。其中,結(jié)構(gòu)X向頂點位移最大值由30 mm減少到21 mm;結(jié)構(gòu)Y向頂點位移最大值由27 mm減少到19 mm。并且由圖可看出,在頂點位移振幅強烈時段上,減震結(jié)構(gòu)X向和Y向的時間都相對原結(jié)構(gòu)有所縮短?？梢?對結(jié)構(gòu)增設(shè)BRB和VD進行減震能夠很好地減小結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。

圖9 結(jié)構(gòu)頂點位移時程曲線Fig.9 Time history curves of structural top displacement

5.2 樓層剪力及基底剪力對比分析

圖10為結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下減震前后的樓層剪力對比,所取樓層剪力為7條地震波的均值。由圖可以看出,結(jié)構(gòu)在增設(shè)BRB和VD進行減震后,X向和Y向樓層剪力均明顯降低,其中X向減震效果約36.94%;Y向減震效果約41.20%。

表7為結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下減震前后的基底剪力對比。由表可知,對結(jié)構(gòu)增設(shè)消能器后,結(jié)構(gòu)在7條地震波作用下其基底剪力較減震前均有降低,結(jié)構(gòu)承載能力比原始結(jié)構(gòu)更好。

5.3 阻尼器耗能分析

圖10 樓層剪力對比分析Fig.10 Comparative analysis of story shear

表6減震結(jié)構(gòu)的位移比

Table 6 Displacement ratio of the shock absorption structure

表7基底剪力對比分析

Table 7 Comparative analysis of base shear

圖11為結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震作用下的部分阻尼器滯回曲線圖。滯回曲線為力與位移的曲線,反映了阻尼器的工作耗能情況。由圖可見,多遇地震作用下黏滯阻尼器滯回曲線飽滿,發(fā)生微小位移即可大量耗能,而BRB在多遇地震作用下未進入耗能狀態(tài),僅為結(jié)構(gòu)提供剛度;罕遇地震作用下黏滯阻尼器兩端出力和位移都增大,其耗能效果更佳,而BRB兩端力和位移也增大,滯回曲線飽滿,進入耗能狀態(tài),說明兩種阻尼器在罕遇地震作用下均屈服而進入耗能狀態(tài),減少主體結(jié)構(gòu)的損傷。

5.4 錯層柱內(nèi)力分析

框架柱是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的重要的承重構(gòu)件。對于建筑結(jié)構(gòu)的錯層部位,容易產(chǎn)生短柱,短柱構(gòu)件由于剛度增大使得分配的荷載較大,從而導致其延性和耗能能力降低,發(fā)生不同程度的破壞。

結(jié)構(gòu)第四層錯層部分的柱子編號如圖2所示,表8為錯層處5號框架柱在減震前和減震后的軸力及剪力對比分析。由表可知,對結(jié)構(gòu)增設(shè)VD和BRB進行混合減震,錯層處框架柱內(nèi)力在7條地震波作用下均有明顯的降低。其中,軸力X向減震效果約52.05%,Y向減震效果約50.09%;剪力X向減震效果約54.05%,Y向減震效果約53.63%?？梢?增設(shè)VD和BRB進行混合減震能夠保護結(jié)構(gòu)重要承重構(gòu)件,提高結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性能。

6 結(jié) 論

本文通過對某扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的錯層框架結(jié)構(gòu)增設(shè)VD和BRB進行混合減震分析,對比分析了層間位移角、位移比、層間剪力、基底剪力、錯層部分框架柱內(nèi)力、阻尼器耗能等影響,得出以下幾點結(jié)論:

(1) 結(jié)構(gòu)增設(shè)黏滯阻尼器和防屈曲耗能支撐后,結(jié)構(gòu)層間位移角、位移比、層間剪力、基底剪力、錯層部分框架柱內(nèi)力均有所降低,減震效果明顯。其中結(jié)構(gòu)層間位移角和位移比由不滿足規(guī)范要求改善至滿足規(guī)范要求。

(2) 結(jié)構(gòu)錯層部分由于樓板不在同一個平面,側(cè)向位移較大,導致結(jié)構(gòu)位移比不滿足規(guī)范要求,對結(jié)構(gòu)增設(shè)防屈曲耗能支撐進行振動控制后,可以有效的降低結(jié)構(gòu)錯層處的位移比,并改善錯層結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

圖11 地震作用下部分阻尼器的滯回曲線Fig.11 Hysteresis curves of some dampers under earthquake

表85號框架柱減震前后的內(nèi)力對比分析

Table 8 Comparative analysis of 5 frame column

(3) 錯層處的框架柱容易發(fā)生短柱破壞,對結(jié)構(gòu)進行消能減震后,能夠有效地降低結(jié)構(gòu)錯層框架柱的內(nèi)力,并增加其延性和耗能能力。

(4) 黏滯阻尼器在多遇地震和罕遇地震作用下滯回曲線飽滿,均進入耗能狀態(tài);防屈曲耗能支撐在多遇地震作用下未進入耗能狀態(tài)僅為結(jié)構(gòu)提供剛度,在罕遇地震作用下滯回曲線飽滿,進入耗能狀態(tài)。