屈曲約束支撐設(shè)計(jì)及分析

邸明堯 王華源 鄧益明 李孝華

(上海水石建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)股份有限公司云南分公司，云南 昆明 650000)

1 工程概述

云南祿勸某高等教育學(xué)院抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。場地覆蓋層厚度較小，巖石揭露面標(biāo)高較高，場地類別為Ⅱ類,持力層為中風(fēng)化巖層,各棟建筑依據(jù)實(shí)際巖石揭露標(biāo)高選用獨(dú)立基礎(chǔ)或旋挖樁。根據(jù)云南省政府令第202號(hào)，本項(xiàng)目應(yīng)采用消能減隔震技術(shù)，結(jié)合建筑本身功能及經(jīng)濟(jì)性要求，主要選用曲屈約束支撐與剪切型金屬阻尼器，本文以本項(xiàng)目中一棟采用屈曲約束支撐的3層建筑為例進(jìn)行說明，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用YJK進(jìn)行常規(guī)分析，SPA2000做補(bǔ)充分析及減震分析。

2 小震下結(jié)構(gòu)CQC計(jì)算

小震下CQC計(jì)算模型以YJK為主，采用SPA2000作為小震下補(bǔ)充分析，并對(duì)兩種模型一致性進(jìn)行比較分析。小震下屈曲約束支撐只提供剛度，YJK計(jì)算模型中按剛度線性等效的方法，用一對(duì)等代斜桿來模擬屈曲約束支撐，確保屈曲約束支撐(如圖1所示)與YJK模型中模擬構(gòu)件的等效剛度相等，由此確定等代斜桿截面尺寸，線剛度等代具體如下：

假設(shè)YJK中等代桿端截面面積為Ae，長度為Le，則等代桿端等效剛度為：

Ke=EeAe/Le

(1)

其中，Ee為等待桿材料彈性模量。

屈曲約束支撐分耗能部分(即芯板部分，以下標(biāo)n標(biāo)識(shí))與非耗能部分(包括梁柱、支撐節(jié)點(diǎn)及支撐彈性段，以下標(biāo)m標(biāo)識(shí))兩部分計(jì)算其串聯(lián)剛度(如圖2所示)則：

1/Ke=1/Km+1/Kn

(2)

其中,1/Km=EmAm/Lm，1/Km=EnAn/Ln，Em,En分別為屈曲約束支撐非耗能段,耗能段材料彈性模量；Am,An,Lm,Ln均為相應(yīng)的截面面積及長度。通過聯(lián)立式(1)，式(2)確定等代扁柱的截面尺寸。

將等代斜桿截面在YJK中布置在相應(yīng)減震器位置，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行CQC計(jì)算。計(jì)算結(jié)果除滿足規(guī)范相應(yīng)的要求，還應(yīng)保證與SPA2000模型的一致性。這樣才能確保YJK計(jì)算與減震設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、可靠性。對(duì)兩種軟件小震下CQC計(jì)算結(jié)果中結(jié)構(gòu)質(zhì)量、前三階結(jié)構(gòu)周期、XY兩方向地震剪力進(jìn)行比較，具體如表1～表3所示。

表1 結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)比

表2 結(jié)構(gòu)周期對(duì)比(前3階)

表3 結(jié)構(gòu)地震剪力對(duì)比

可見CQC計(jì)算結(jié)果兩種軟件基本一致，故采用YJK對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析是正確的、可靠的，減震設(shè)計(jì)分析也可以此小震下的模型為依據(jù)。

3 減震分析

減震分析主要依據(jù)預(yù)期的水平向地震力、位移控制及耗能性能要求，估算出減震結(jié)構(gòu)所需附加剛度和附加阻尼比，據(jù)此選擇合適的消能減震器型號(hào)，結(jié)合建筑平面配置及JGJ 297—2013建筑消能減震技術(shù)規(guī)范[2]3.1.4,6.2.1條規(guī)定布置在恰當(dāng)?shù)奈恢?，再?duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)是否達(dá)到減震及性能目標(biāo)，以確保結(jié)構(gòu)的可靠性、安全性，以下為減震分析的主要內(nèi)容與注意事項(xiàng)。

3.1 結(jié)構(gòu)減震目標(biāo)及性能目標(biāo)

根據(jù)《云南省建筑消能減震設(shè)計(jì)與審查技術(shù)導(dǎo)則》[3](試行)4.1.1，5.1.2條，本項(xiàng)目的減震及性能目標(biāo)見表4。

表4 減震及性能目標(biāo)

3.2 小震彈性時(shí)程分析

采用SAP2000進(jìn)行小震下彈性時(shí)程分析，一方面是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充分析，另一方面則是方便大震彈塑性時(shí)程分析時(shí)地震波的選取。

SAP2000中采用單元Plastic(Wen)模擬屈曲約束支撐(見圖3)，定義相應(yīng)的線性屬性，屈曲約束支撐小震下只提供剛度，故小震分析只定義線性屬性等效剛度即可。

根據(jù)《抗規(guī)》[1]5.1.2-3條及條文說明選取5條天然波2條人工波進(jìn)行小震彈性時(shí)程分析,計(jì)算結(jié)果取時(shí)程法的平均值與振型分解反應(yīng)譜法的較大值。本項(xiàng)目通過對(duì)地震剪力比較，取大值進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面為剪力的對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

3.3 大震彈塑性時(shí)程分析

在SAP2000中定義模擬單元Plastic(Wen)相應(yīng)的線性及非線性屬性，對(duì)主體結(jié)構(gòu)框架梁、柱均定義塑性鉸，選用程序提供Hilber-Hughe-Taylor逐步積分法，β值取0.25，γ取0.5，Alpha系數(shù)為0，模型示意如圖5所示。

整個(gè)結(jié)構(gòu)大震下的變形均在彈塑性變形范圍內(nèi)，滿足小應(yīng)變假定，故彈塑性時(shí)程分析只考慮材料非線性，不考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性。取小震彈性時(shí)程分析中的三條地震波，并按規(guī)范要求對(duì)所選地震波調(diào)幅后，進(jìn)行大震彈塑性時(shí)程分析，分析結(jié)果取包絡(luò)值。為方便提取減震器周邊子構(gòu)件大震作用下的彈性內(nèi)力，進(jìn)行子構(gòu)件設(shè)計(jì)，對(duì)子構(gòu)件框架梁、柱不設(shè)置塑性鉸。為了分析結(jié)構(gòu)在不同地震波、不同地震輸入方向作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，對(duì)結(jié)構(gòu)單向地震輸入作用下的彈塑性動(dòng)力性能進(jìn)行分析，得出結(jié)構(gòu)地震作用響應(yīng)結(jié)果，如層間位移角、地震剪力、位移、塑性鉸分布等。

分析中調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸、配筋、阻尼器布置及型號(hào)控制塑性鉸出現(xiàn)順序，使整個(gè)結(jié)構(gòu)具有合理的耗能機(jī)制，實(shí)現(xiàn)減震目標(biāo)及性能目標(biāo)，保證“大震不倒”。其中一榀框架出鉸情況如圖6～圖8所示。

可見罕遇地震作用下構(gòu)件開始進(jìn)入塑性，框架梁優(yōu)先出現(xiàn)梁鉸，而后柱子出現(xiàn)柱鉸，結(jié)構(gòu)總體符合“強(qiáng)柱弱梁”的要求。各屈曲約束支撐進(jìn)入塑性滯回耗能情況也很好，為結(jié)構(gòu)主體提供了良好的安全保證。

3.4 減震器周邊子結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算

消能子結(jié)構(gòu)中的梁、柱、墻等構(gòu)件和連接節(jié)點(diǎn)均應(yīng)進(jìn)行罕遇地震作用下及消能器引起的附加外荷載作用下的截面驗(yàn)算，具體符合JGJ 297—2013建筑消能減震技術(shù)規(guī)程[2]第6.4.2條規(guī)定，以確保消能減震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下不發(fā)生倒塌，在主體結(jié)構(gòu)達(dá)到極限承載力前，消能部件不產(chǎn)生失穩(wěn)或節(jié)點(diǎn)板破壞，保證消能部件的安全。

4 結(jié)語

減震設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合建筑功能及規(guī)范要求選擇合適的減震器。對(duì)于采用屈曲約束支撐的建筑應(yīng)根據(jù)性能目標(biāo)進(jìn)行小震及大震下相應(yīng)的計(jì)算分析，滿足相關(guān)規(guī)定，具有良好的耗能機(jī)制，保證結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性。