某框架結(jié)構(gòu)采用屈曲約束支撐與粘滯阻尼器的消能減震的應(yīng)用研究

邢秀琪 潘文 張?zhí)飸c

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.昆明理工大學(xué)工程抗震研究所 昆明 650500；3.中國建筑第二工程局有限公司 昆明 650500)

0 引言

屈曲約束支撐也可以叫做防屈曲支撐或BRB(Buckling Restrained Brace),它是一種比較新型的消能減震部件。防屈曲支撐具有較強(qiáng)的變形能力和良好的滯回性能和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，它可以增加結(jié)構(gòu)的剛度[1]。而粘滯阻尼器是研究比較成熟的阻尼器之一，它是一種速度相關(guān)性消能元件。粘滯耗能阻尼器的研發(fā)和應(yīng)用的意義非常重大，讓建筑結(jié)構(gòu)或橋梁結(jié)構(gòu)更加安全，就好像裝上了“安全氣囊”[2]。在地震來臨時(shí)，阻尼器能在地震發(fā)生時(shí)最大限度地吸收和消耗地震能量進(jìn)入建筑物結(jié)構(gòu)，減輕地震對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的沖擊和破壞。本文以某醫(yī)院框架結(jié)構(gòu)為例，深入研究了屈曲約束支撐和粘性阻尼器的組合效應(yīng)，并且與只有屈曲約束支撐的減震結(jié)構(gòu)通過在地震作用下的地震響應(yīng)分析進(jìn)行對(duì)比，從而得到BRB與粘滯阻尼器聯(lián)合的減震設(shè)計(jì)的可行性。

1 屈曲約束支撐及粘滯阻尼器的特性

1.1 屈曲約束支撐

桁架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在建筑結(jié)構(gòu)中經(jīng)常可以用到并且可以為彎曲的框架或結(jié)構(gòu)發(fā)展提供一個(gè)較大的側(cè)向剛度和承載管理能力，但是，正常的支撐桿會(huì)在壓力下彎曲，而當(dāng)支撐桿在壓力下彎曲時(shí)，其剛度和承載力會(huì)急劇下降。在地震或風(fēng)的影響下，支撐的內(nèi)部強(qiáng)度在壓力和張力下會(huì)來回變化。支撐件的內(nèi)部強(qiáng)度和剛度可能從扭轉(zhuǎn)狀態(tài)變?yōu)閺埦o狀態(tài)時(shí)接近為零。因此，普通支撐在反復(fù)荷載作用下的滯回性能不是很好。為了解決支撐件的極限扭轉(zhuǎn)和滯回性能不足問題，將護(hù)套放置支撐件外部以建立支撐件的極限扭轉(zhuǎn)力和極限承載力。

扭力限制支架僅將底板連接到其他組件，所有負(fù)載均由底板承擔(dān)。外殼和填充材料只能防止底板在壓力下扭曲，從而使芯板在張力和壓力下都可以進(jìn)入屈服狀態(tài)。所以，BRB的滯回性能非常不錯(cuò)。一方面，常規(guī)支撐件的拉伸和壓縮承載力差異較大，然而屈曲約束支撐可以有效地避免這一不足。另一方面，它具有金屬阻尼器的功耗能力，并且可以充當(dāng)機(jī)箱中的“保險(xiǎn)絲”，從而使主體基本上保持在靈活范圍內(nèi)。因此，常規(guī)支撐框架在中震、大震下的性能可以通過BRB的應(yīng)用來大大提高[3]，其抗震性能的對(duì)比如表1。

表1 屈曲約束支撐框架與普通支撐框架的抗震性能比較

1.2 粘滯阻尼器

粘滯阻尼器是與速度有關(guān)的能量消散裝置，其使用液體的粘度來提供阻尼以消散振動(dòng)能。 它的能量消散(振動(dòng))裝置為負(fù)速度型并且使用粘性材料作為阻尼介質(zhì)，主要用于能量吸收和結(jié)構(gòu)振動(dòng)消散。它適用于不同地震烈度區(qū)域的建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)備基礎(chǔ)項(xiàng)目的安裝、維護(hù)和更換，且簡單方便。

粘滯阻尼器由圓柱管、活塞、粘滯流體材料和導(dǎo)向桿組成，在圓柱管中填充有粘滯流體材料，活塞可以在圓柱管中更換。當(dāng)結(jié)構(gòu)變形以使缸筒和活塞彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體材料被迫流過小孔或間隙，從而產(chǎn)生阻尼力，通過耗散粘性能量消除振動(dòng)能量，從而達(dá)到減震的目的。

粘滯阻尼器的特性是提供結(jié)構(gòu)的附加阻尼，但不提供附加的剛度，因此它不會(huì)更改結(jié)構(gòu)的自然振動(dòng)周期。粘滯阻尼器不會(huì)改變結(jié)構(gòu)的自然振動(dòng)周期的原因是它有一種特性是為結(jié)構(gòu)提供額外的緩沖，但不提供額外的剛度。它的優(yōu)點(diǎn)如下：①在經(jīng)濟(jì)上有優(yōu)勢，并且可以減少切割墻的數(shù)量，可以增強(qiáng)橫梁、支柱和組件的橫截面尺寸；②它具有強(qiáng)大的可用性，不僅只能用于新民用建筑的抗震和抗風(fēng)，也可以廣泛用于現(xiàn)有民用建筑的抗震加固或震后修復(fù)項(xiàng)目；③當(dāng)軸端的彎矩最大時(shí)，用粘滯阻尼器固定的支腿不會(huì)對(duì)軸施加軸向力；④維護(hù)成本低[4]。

2 阻尼器的布置及地震波的選取

2.1 BRB布置

結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸向上的動(dòng)力特征相似是防屈曲支撐布置的原則[5]。并且其垂直布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)的剛度在整個(gè)上升方向上均一。它應(yīng)以相對(duì)較大的位移或相對(duì)的層間速度放置在地面上。想要提高阻尼器的阻尼效率則應(yīng)布置合理的形狀，因?yàn)楹侠淼男螤顣?huì)增加阻尼器兩端的相對(duì)變形或相對(duì)速度。它的布局不應(yīng)使結(jié)構(gòu)看起來像弱組件或弱層。本項(xiàng)目一共7層，1～5層每層布置32根，x方向y方向各16根，一共布置160根。為了方便查看各個(gè)減震器的力和位移情況，將每層減震器進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)命名規(guī)則為方向-樓層(建筑樓層)-減震器型式-序號(hào)(X-i-Z-1)。BRB減震器性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)表如表2所示。

表2 BRB減震器性能參數(shù)

2.2 粘滯阻尼器的布置

粘滯阻尼器的布局還遵循平面圖中的“均勻，分散和對(duì)稱”布局原則。本項(xiàng)目一共7層，1～4層布置粘滯阻尼器，每層布置8根，x、y方向分別布置4根，一共32根。編號(hào)命名規(guī)則為VFDX-i-1，意思是x向第i層的第1個(gè)阻尼器。根據(jù)粘滯阻尼器的性能特征表，各種類型的阻尼器在小地震中都會(huì)消耗能量，因此粘滯阻尼器可以在小地震下為結(jié)構(gòu)增加一定的附加阻尼率。粘滯阻尼器性能規(guī)格見表3。

表3 粘滯阻尼器性能規(guī)格

2.3 地震波的選取

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[6]第5.1.2條要求，采用時(shí)程分析方法時(shí)，應(yīng)記錄真實(shí)烈度和地震情況。 根據(jù)現(xiàn)場類別和地震設(shè)計(jì)組，選擇人工模擬的加速度時(shí)程曲線。其中實(shí)際強(qiáng)震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3，多組時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)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(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。如果從工程方面來看，時(shí)程分析的結(jié)果可以支持安全要求最小限度。然而，計(jì)算的數(shù)據(jù)應(yīng)該小一點(diǎn)，根據(jù)規(guī)定每個(gè)地震波輸入的計(jì)算不能小于120%，且不能大于135%。根據(jù)《建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[6]，對(duì)其5.1.2條的解釋“在統(tǒng)計(jì)意義上相符”是多組時(shí)程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)曲線相比，在對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差不大于20%。

該報(bào)告選擇了5條當(dāng)前強(qiáng)地震的記錄和2條加速度時(shí)程的人工模擬曲線，比較結(jié)果見表4、表5。

表4 非減震結(jié)構(gòu)底部剪力對(duì)比

表5 地震波信息

7個(gè)地震波的反應(yīng)譜和加速度時(shí)程曲線如下圖1和圖2所示。

圖1 地震波的反應(yīng)譜

圖2 加速度時(shí)程曲線

3 多遇地震下的時(shí)程分析

本項(xiàng)目減震結(jié)構(gòu)的有限元分析是通過有限元分析軟件SAP2000進(jìn)行的，對(duì)減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析也是通過SAP2000進(jìn)行的。 SAP2000軟件的功能非常齊全并強(qiáng)大，尤其是它的非線性動(dòng)力分析功能，可以在多遇地震下準(zhǔn)確地分析主結(jié)構(gòu)的變形特性的彈性和阻尼特性。 為了突出BRB與粘滯阻尼器在多遇地震的影響下的減震效果，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單向地震輸入作用下純框架結(jié)構(gòu)、只帶有BRB的結(jié)構(gòu)以及BRB與黏滯阻尼器聯(lián)合的最大位移角、樓層間剪力對(duì)比如表6—表8所示。

可以從表6看出，純框架結(jié)構(gòu)的最大位移角比BRB框架結(jié)構(gòu)的最大位移角要大，產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因是對(duì)屈曲約束支撐的布置可以增加結(jié)構(gòu)的剛度，則結(jié)構(gòu)的最大位移角減小。而BRB與粘滯阻尼器聯(lián)合的框架位移角是最小的，原因是粘滯阻尼器的特征是提供附加阻尼比，BRB增加結(jié)構(gòu)剛度，從表6的結(jié)果看來在BRB與粘滯阻尼器聯(lián)合共同發(fā)揮作用下框架結(jié)構(gòu)的減震效果最好。

表6 最大位移角對(duì)比

由表7和表8可以看到在x方向和y方向上BRB與粘滯阻尼器聯(lián)合的框架結(jié)構(gòu)的樓層間剪力較小，其原因是BRB為結(jié)構(gòu)提供剛度同時(shí)粘滯阻尼器不提供剛度卻在地震作用下消耗了一定的能量，二者協(xié)同合作發(fā)揮作用。

4 罕遇地震下的時(shí)程分析

由于多遇和罕遇地震下BRB與粘滯阻尼器減震效果相似，則在罕遇地震作用下不具體分析純框架結(jié)構(gòu)和BRB結(jié)構(gòu)之間的最大位移角的對(duì)比，而是深入的研究了BRB與粘滯阻尼器聯(lián)合的層間位移角與非減震結(jié)構(gòu)之間的對(duì)比，以顯示BRB與粘滯阻尼器聯(lián)合方式的可行性。

在彈性時(shí)程分析的過程中不考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性但考慮非線性材料，采用小變形假設(shè)。要解決運(yùn)動(dòng)的微分方程，確定程序提供的lper-Hughes-Taylor逐步積分方法，其中β值取0.25，γ0.5的值和alpha參數(shù)等于0，并且在這個(gè)過程中會(huì)依據(jù)規(guī)格調(diào)節(jié)所選的地震波的振幅。在過程中選擇了3個(gè)地震波進(jìn)行大震，包絡(luò)值為分析結(jié)果。為了得到結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)結(jié)果在單向地震輸入下分析了結(jié)構(gòu)的彈性動(dòng)力特性并且分析了彈性體塑料在不同地震波和不同地震輸入方向下的性能。表9顯示了在罕見地震的影響下，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)之間的層間位移角。x方向的減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)層間位移角曲線如圖3所示，y方向的減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)層間位移角曲線如圖4所示。

從表9可以看出在x方向和y方向上6、7層的減震結(jié)構(gòu)的層間位移角相較非減震的層間位移角有所增加，而1～5層的減震結(jié)構(gòu)的層間位移角相較于非減震結(jié)構(gòu)的減小了。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因是6、7層沒有布置BRB或阻尼器，并且在1～5層布置阻尼器時(shí)由于結(jié)構(gòu)不完全對(duì)稱出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，結(jié)果是減震結(jié)構(gòu)的層間位移角增加。

5 結(jié)論

(1)在多遇地震下，由于BRB與粘滯阻尼器的聯(lián)合作用，結(jié)構(gòu)的層間位移角與樓層間剪力都有很明顯的改善。這種阻尼器聯(lián)合的方式發(fā)揮了積極的作用，可以提高結(jié)構(gòu)的安全性，而且可以改善抗地震的能力，在這個(gè)基礎(chǔ)上也可以改善建筑的使用環(huán)境。

(2)在罕見地震中，所有阻尼器都進(jìn)入了塑性滯回耗能過程。并且BRB和粘性阻尼器都發(fā)揮自身的優(yōu)勢，顯示出良好的耗能能力，為主體結(jié)構(gòu)提供了良好的安全保障。綜上所述，BRB與粘滯阻尼器聯(lián)合作用的減震方案是可行的。