屈曲約束支撐在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

田歡

中國中元國際工程有限公司 北京 100089

引言

屈曲約束支撐是一種有效的耗能減震構(gòu)件，它主要由耗能內(nèi)芯和外圍約束構(gòu)件兩部分組成，其力學(xué)性能由內(nèi)芯的材質(zhì)和截面面積決定。屈曲約束支撐可以為結(jié)構(gòu)提供必要的抗側(cè)剛度，又可為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼，有效減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。與傳統(tǒng)普通鋼支撐相比，屈曲約束支撐不容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，在受拉和受壓時性能一致[1]。此外，屈曲約束支撐有延性性能好，耗能能力優(yōu)良，施工速度快，質(zhì)量可靠等優(yōu)點。

規(guī)范規(guī)定醫(yī)院、幼兒園、小學(xué)、中學(xué)的教學(xué)用房以及學(xué)生宿舍和食堂為重點設(shè)防類建筑，安全等級為一級[3]，因此設(shè)計時要提高結(jié)構(gòu)的安全儲備，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

本文以某高烈度區(qū)醫(yī)院為例，通過設(shè)置屈曲約束支撐來提高結(jié)構(gòu)的抗震性能?；贏BAQUS軟件建立帶有屈曲約束支撐的減震結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和動力彈塑性時程分析，研究結(jié)構(gòu)的動力特性和減震效果。

1 工程概況

圖1給出了某工程設(shè)置屈曲約束支撐的鋼筋混凝土框架有限元模型，共4層，長度為85.8m，寬度為78.04m，高度為21.4m。場地設(shè)防烈度為8度0.3g，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第一組。

圖1 結(jié)構(gòu)有限元模型

對減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析，求出兩個方向每個支撐軸力的最大值，最終取小震下支撐力的1.5倍為支撐的屈服承載力。經(jīng)過反復(fù)試算，優(yōu)化設(shè)計，取屈曲約束支撐的屈服承載力為2500kN。屈曲約束支撐在小震下不屈服，為結(jié)構(gòu)提供剛度，中、大震下屈服耗能，減小主體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

2 模態(tài)分析

在ABAQUS軟件中建立減震結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析。表1給出結(jié)構(gòu)前3階振型的自振周期，前三階振型圖詳見圖2-圖4，由計算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)兩個主軸方向平動周期接近，兩個方向剛度接近，設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

表1 結(jié)構(gòu)自振周期

圖2 第一振型圖

圖3 第二振型圖

圖4 第三振型圖

3 罕遇地震下結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析

基于ABAQUS軟件對減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時程分析，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范[4]》要求，選用的地震波為與此場地相應(yīng)的一組人工波和兩組天然波，如圖5-圖7所示。各條地震波作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角見表2。

表2 彈塑性層間位移角

圖5 人工波加速度記錄時程

圖6 天然波1加速度記錄時程

圖7 天然波2加速度記錄時程

從表中可以看出，三組波作用下：

彈塑性層間位移角的最大值為1/64，小于規(guī)范位移限值1/50的要求。

4 構(gòu)件損傷分析

框架柱、框架梁的損傷程度基于混凝土壓應(yīng)變和鋼筋的拉應(yīng)變來判斷，本文定義構(gòu)件損傷階段如下所示。

當(dāng)構(gòu)件的變形位于彈性位移和屈服位移之間時，為輕微損傷。

當(dāng)構(gòu)件的變形位于屈服位移和近似極限荷載對應(yīng)的位移之間時，為中度損傷。

當(dāng)構(gòu)件變形位于彈塑性變形限值的一半和90%的彈塑性變形限值之間時，為較嚴(yán)重?fù)p傷。

大于90%的彈塑性變形限值時，構(gòu)件嚴(yán)重?fù)p壞。

對減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下彈塑性時程分析，圖8-圖10給出的是天然波1作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞情況。

圖8 天然波1作用下X=99.6m一榀框架損傷情況

圖9 天然波1作用下Y=46.8m一榀框架損傷情況

圖10 天然波1作用下Y=54.6m一榀框架損傷情況

從圖中可以看出，采用屈曲約束支撐后，大部分構(gòu)件達(dá)到中度損傷階段，損傷程度較小。

框架柱的損傷程度高于梁，較嚴(yán)重破壞的柱主要集中在底層。

罕遇地震下屈曲約束支撐起到了很好的耗能作用，減小主體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，使設(shè)計更容易滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

本文以某高烈度地區(qū)醫(yī)院項目為例，分析鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)采用屈曲約束支撐后結(jié)構(gòu)的動力特性及減震效果，基于通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行了罕遇地震下動力彈塑性時程分析。通過本文的研究分析可以得到如下結(jié)論：

通過合理的布置屈曲約束支撐，可以使結(jié)構(gòu)兩個主軸方向剛度接近，減小扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)的不利影響。

罕遇地震下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/64，未超過1/50，滿足規(guī)范要求。

罕遇地震下結(jié)構(gòu)大部分構(gòu)件達(dá)到中等損傷階段，較少損傷較嚴(yán)重的部位主要集中在底層柱兩端，設(shè)計時底層框架柱應(yīng)采取加強(qiáng)措施。

本文以高烈度區(qū)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)置屈曲約束支撐為例，通過罕遇地震下的分析，驗證了屈曲約束支撐的可行性和有效性，設(shè)置屈曲約束支撐能夠減小框架柱、框架梁的截面尺寸，使設(shè)計更容易滿足規(guī)范各項指標(biāo)的要求，同時提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。