消能減震技術在工程中的應用與研究

崔立杰CUI Li-jie；王兵WANG Bing；王雷WANG Lei

（①河北科技工程職業(yè)技術大學（原邢臺職業(yè)技術學院），邢臺 054000；②中建研科技股份有限公司，北京 100013；③北京威斯頓建筑設計有限公司石家莊分公司，石家莊 050011）

0 引言

我國建筑消能減震技術研究與應用取得了豐碩的成果，研究開發(fā)了一批具有自主知識產(chǎn)權的消能器，設計方法和設計標準日趨成熟，已在新建和既有建筑工程中得到廣泛應用[1]。本文通過對罕遇地震作用下基于消能減震技術的屈曲約束支撐實際工程案例進行分析，不僅顯著提升結構在地震作用下的抗震性能，同時為消能減震技術在工程項目中的應用提供一定的參考[2]。

1 工程概況

某工程主體為混凝土框架結構，本工程采用防屈曲支撐消能減震技術，根據(jù)《建筑工程抗震設防分類標準》GB50223-2008[3]，本項目設防烈度為8 度（0.20g），建筑場地類別為II 類，地震分組為第二組，其建筑結構模型如圖1 所示。

圖1 結構模型

2 消能減震方案

本項目采用屈曲約束支撐作為消能減震部件。其中屈曲約束支撐的芯材在地震作用下，通過外圍約束單元約束核心支撐芯材受壓時不屈曲，使其能達到受拉時一樣的屈服效果，從而吸收地震能量，其中芯材與外圍約束單元之間的無粘接材料用來保障芯材受壓膨脹時減少與外圍約束單元之間的摩擦力，從而不影響其軸向承載力[4]，布置位置如圖2 所示。

圖2 阻尼器平面布置圖

3 彈塑性分析

3.1 分析方法

表1 消能器力學性能

本項目采用基于顯式積分的動力彈塑性分析方法，這種分析方法未作任何理論的簡化，直接模擬結構在地震力作用下的非線性反應：

①完全的動力時程特性：直接將地震波輸入結構進行彈塑性時程分析，可以較好地反映在不同相位差情況下構件的內(nèi)力分布，尤其是樓板的反復拉壓受力狀態(tài)；

②幾何非線性：結構的動力平衡方程建立在結構變形后的幾何狀態(tài)上，“P-Δ”效應，非線性屈曲效應等都被精確考慮；

③材料非線性：直接在材料應力-應變本構關系的水平上模擬；

④采用顯式積分，可以準確模擬結構的破壞情況直至倒塌形態(tài)。

3.2 非線性地震反應分析模型

①桿件彈塑性模型。

桿件非線性模型采用纖維束模型，如圖3 所示，主要用來模擬梁、柱等構件。

圖3 一維纖維束單元圖

②整體分析模型。

本項目樓板采用彈塑性分層殼單元。

在非線性過程中，樓板將發(fā)生開裂使其平面內(nèi)剛度下降，對結構的各抗側力構件剛度分配和剪力傳遞也將產(chǎn)生一定影響。因此，本項目非線性分析中將不采用剛性樓板假定，對各層樓板均劃分為殼單元進行分析。

3.3 分析步驟

第一步：施工模擬加載。第二步：地震加載。彈塑性分析時所采用的地震波工況（地震波波形及持續(xù)時間、頻譜特性等數(shù)據(jù)）應統(tǒng)一。

4 罕遇地震作用下消能減震結構反應

4.1 分析工況信息

見表2。

表2 分析工況信息表

4.2 各組地震動作用下基底剪力和剪重比（表3、表4、圖4）

圖4 層間剪力曲線

表3 X 主向彈塑性基底剪力和剪重比統(tǒng)計表

表4 Y 主向彈塑性基底剪力和剪重比統(tǒng)計表

計算結果表明，對結構添加屈曲約束支撐后，罕遇地震作用下，X 向底部剪力最大值為：V=14.4MN，Y 向底部剪力最大值為：V=15.3MN，有效減小結構的剪力值。防屈曲支撐構件具有較好的耗能性能，構件屈服和損傷使地震效應降低，結構抗震性能得到顯著提升。

4.3 各組地震動作用下位移結果（表5、圖5、圖6）

圖5 層間位移角

圖6 樓層位移

表5 地震動作用下位移統(tǒng)計表

計算結果表明，對結構添加屈曲約束支撐后，如表5 所示，罕遇地震作用下，X 向頂部位移最大值為：V=105mm，Y 向頂部位移最大值為：V=108mm。彈塑性大震平均層間位移角，其中X、Y 向最大層間位移角為1/123、1/120，均小于規(guī)范[5]限值1/50，滿足要求。說明罕遇地震作用下屈曲約束支撐已經(jīng)屈服，發(fā)揮耗能作用，屈曲約束支撐的增設充分發(fā)揮了原框架結構的抗震性能。

5 結論

①罕遇地震作用下，動力彈塑性基底剪力計算結果表明：罕遇地震作用下，X 向底部剪力最大值為：V=14.4MN，Y 向底部剪力最大值為：V=15.3MN，結構添加屈曲約束支撐后，有效減小結構的剪力值，具有較好的耗能性能，結構抗震性能得到顯著提升。

②罕遇地震作用下，動力彈塑性層間位移角計算結果表明：X 方向最大層間位移角為1/123，Y 向最大層間位移角為1/120，滿足規(guī)范要求。

③罕遇地震作用下，動力彈塑性頂部位移計算結果表明：X 向頂部位移最大值為：V=105mm，Y 向頂部位移最大值為：V=108mm，屈曲約束支撐已經(jīng)屈服，發(fā)揮耗能作用，屈曲約束支撐的增設充分發(fā)揮了原框架結構的抗震性能。