高烈度區(qū)減隔震技術(shù)下高層鋼結(jié)構(gòu)抗震性能影響

【摘要】高層建筑在建設(shè)后容易受到地震的影響，為提高減震的服務(wù)性，應(yīng)提高高層結(jié)構(gòu)的抗震性能。高烈度區(qū)域常給建筑工程安全帶來(lái)不利影響。文中以高烈度區(qū)減隔震技術(shù)下的高層建筑為研究對(duì)象，對(duì)高烈度區(qū)減隔震技術(shù)下的高層鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的影響展開(kāi)分析，以防屈曲支撐框架、鉛芯隔震支座為研究對(duì)象，對(duì)建筑層間隔震結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，研究減隔震技術(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)減震性能的影響，推動(dòng)高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能提升。

【關(guān)鍵詞】高烈度區(qū)；減隔震技術(shù)；高層鋼結(jié)構(gòu)；抗震性能

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU973.13 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）05-0130-03

0 引言

高層建筑是當(dāng)前城市建設(shè)中較為常見(jiàn)的建筑形式。在高烈度區(qū)建筑容易受到地震影響，而減隔震技術(shù)的應(yīng)用，可以給高層建筑抗震性能帶來(lái)正面影響，讓高層建筑能為人們提供安全舒適的生活場(chǎng)所。

1 防屈曲支撐框架概述

對(duì)防屈曲支撐架構(gòu)展開(kāi)研究，主要分析防屈曲支撐框架的原理與構(gòu)成、力學(xué)模型和計(jì)算方式等內(nèi)容。

1.1 原理與構(gòu)成

防屈曲支撐體系，縮寫(xiě)為BRB。在高層建筑建設(shè)時(shí)，作為一種常見(jiàn)的減震技術(shù)，能提高高層建筑的減震效果[1]。BRB是以水平反復(fù)荷載為關(guān)鍵點(diǎn)，讓軸向力主要由芯材承擔(dān)。對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析能得到如下結(jié)論內(nèi)容。

（1） 水平結(jié)構(gòu)。其主要包含3部分內(nèi)容，主要由限制模塊、滑動(dòng)模塊、核心模塊幾個(gè)部分組成。在模塊工作時(shí)，內(nèi)置核心模塊也可稱(chēng)為芯材，在作用時(shí)會(huì)承受軸向力，主要選擇鋼材為制作材料。內(nèi)置核心模塊能適合不同的工程，具有較好的應(yīng)用價(jià)值?；瑒?dòng)模塊在功能發(fā)揮時(shí)，主要作用于模塊與模塊之間，需要在其中增加滑動(dòng)力，再保持模塊與模塊的距離合理。再對(duì)黏結(jié)性低的材料進(jìn)行使用，使用時(shí)應(yīng)注意對(duì)用量展開(kāi)控制，為滑動(dòng)模塊功能的發(fā)揮奠定基礎(chǔ)。因?yàn)榛瑒?dòng)模塊的存在，會(huì)讓芯材承受外界的荷載，就能產(chǎn)生相應(yīng)的力學(xué)性能。限制模塊在工作時(shí)主要承擔(dān)施加約束力的作用，在約束力控制時(shí)，可將芯材作為關(guān)鍵，展開(kāi)芯材的使用，注意芯材如果有屈服損傷，需要注意對(duì)模塊的控制。

（2） 垂直結(jié)構(gòu)。其主要包括限制屈服段、限制非屈服段、無(wú)限制非屈服段和無(wú)黏結(jié)可膨脹段、屈服限制模塊五個(gè)部分。限制屈服段是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)內(nèi)部有反復(fù)荷載存在，會(huì)引起結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞的情況，再加上屈服強(qiáng)度較高，可選用延展性較好的鋼管。對(duì)于限制非屈服段，本段的截面積相對(duì)較大，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，可展開(kāi)加肋的作業(yè)方式，能完成對(duì)非屈服段的彈性力的提升。這個(gè)段，可選擇焊接或是螺栓的連接方式，需要保證BRB與框架能保持較好的服務(wù)作用。在二者聯(lián)合使用時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)沒(méi)有黏結(jié)的情況，可對(duì)其他材料展開(kāi)使用，注意要讓PE材料能發(fā)揮能力，還要分析屈服程度的基本內(nèi)容，注意作業(yè)給滑動(dòng)模塊帶來(lái)的影響，再降低芯材的軸力能。此外，還要讓屈服限制模塊需要得到管控，使之能與水平限制模塊保持相同的狀態(tài)。

1.2 力學(xué)模型

在原理與構(gòu)成分析的前提下，對(duì)力學(xué)模型進(jìn)行分析。分析時(shí)，要先進(jìn)行BRB的力學(xué)模型構(gòu)建，再進(jìn)行其性能和特性的分析。以高層鋼支撐結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，BRB的承載力會(huì)相對(duì)較好，而且滯回曲線也比較可靠。然后進(jìn)行芯材與限制模塊的分析，實(shí)現(xiàn)相關(guān)模型的構(gòu)建。完成后再對(duì)鋼支撐的力學(xué)模型進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)模型的構(gòu)建。在模型應(yīng)用時(shí)，模型可能存在異常，直接影響模型的作用。所以要對(duì)模型展開(kāi)修改，可獲取BRB的相關(guān)模型。當(dāng)前，BRB力學(xué)模型的應(yīng)用相對(duì)較多，而且其種類(lèi)也相對(duì)較多，包括Biuc-Wen模型，還會(huì)有雙線性模型。這些模型在應(yīng)用時(shí)會(huì)有明顯的差異?，F(xiàn)以Biuc-Wen模型為研究對(duì)象，其在應(yīng)用時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)多次驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后，才能獲取模型的具體情況。這個(gè)模型最早是在1967年被提出，是Biuc實(shí)現(xiàn)最初設(shè)計(jì)，后續(xù)再由Wen實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的優(yōu)化和創(chuàng)新，使得Biuc-Wen模型得以實(shí)現(xiàn)。這個(gè)模型在應(yīng)用時(shí)，能保證模型的功能和作用，讓模型能為相關(guān)工作提供服務(wù)，具體模型方程為：

" " " " " " " " " " " " "（1）

" " " " " " " " " " " " "（2）

參考上述模型，進(jìn)行模型內(nèi)字母含義的分析，其中，x用于分析BRB的位移量； 為速度； 為加速度，這幾項(xiàng)內(nèi)容都是對(duì)BRB進(jìn)行描述，保證BRB能發(fā)揮相應(yīng)作用。模型中，z為非線性恢復(fù)力，取數(shù)值可通過(guò)查閱資料獲取。另外，式中A、α、β和n，這幾個(gè)數(shù)據(jù)都可以用常數(shù)描述。其中，前三個(gè)會(huì)給曲線的大小和形狀帶來(lái)影響。n主要影響曲線的光滑程度。

1.3 分析模型

分析模型主要有主體結(jié)構(gòu)和支撐模塊幾個(gè)部分，在模型研究期間，要注意模型選擇的分析。因?yàn)槟Ｐ捅旧泶嬖谌毕?，限制了模型的作用，所以要注意模型的控制，完成模型處理工作。如果模型?jīng)過(guò)選擇后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)層間模型的分析，要求支撐模塊可保持很好的作用。如果經(jīng)過(guò)選擇后，完成了對(duì)桿模型的選擇，可對(duì)桿件進(jìn)行控制，要求桿件能做好固定作業(yè)。如果在工作中，對(duì)有限元模型進(jìn)行選擇，需要對(duì)BRB進(jìn)行應(yīng)用，完成對(duì)模型的分析。

結(jié)合上述所構(gòu)建的模型，注意對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力平衡的分析，獲取相應(yīng)方程，還可以對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化能對(duì)BRB的減震機(jī)理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化，可讓人們便于理解。

" " " " " " " " " " " " " （3）

" " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

按照上述方程，能對(duì)動(dòng)力平衡方程展開(kāi)分析，公式（3）當(dāng)中，可用于常規(guī)的抗震結(jié)構(gòu)當(dāng)中，而公式（4）則可用于BRB構(gòu)件當(dāng)中，還可以對(duì)公式（4）進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以得到公式（5）。

" " " " " " " " " " " "（5）

參考上述公式的基本情況，再對(duì)公式中的字母進(jìn)行研究，Ks可用于描述結(jié)構(gòu)剛度；Cs可用于描述結(jié)構(gòu)阻尼；M用于描述結(jié)構(gòu)質(zhì)量。結(jié)合上述公式，Kd在使用時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的描述；Cd可完成對(duì)阻尼的描述；C能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度的展示；K則用于完成對(duì)剛度總值的描述。其中，u（t）用于分析位移量；u可用于展示加速度的基本情況。

1.4 計(jì)算方式

計(jì)算時(shí)要選擇適宜的計(jì)算方法，需要時(shí)還可以選擇時(shí)程分析法，這種分析法，能對(duì)結(jié)構(gòu)的位移量、速度等內(nèi)容的計(jì)算，并根據(jù)其變化獲取構(gòu)件內(nèi)力和時(shí)間的關(guān)聯(lián)性。計(jì)算過(guò)程中可將公式（5）作為基礎(chǔ)，在構(gòu)件移動(dòng)時(shí)因?yàn)榧铀俚膹?fù)雜程度相對(duì)較高，諸多方面的因素都會(huì)受到干擾，因此公式（5）存在誤差，需要對(duì)公式進(jìn)行優(yōu)化，讓變量以增量的形式出現(xiàn)，可以公式（6）為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)分析。

" " " " " " " " " " " " " " " "（6）

將上述公式作為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)BRB的研究，在時(shí)程研究時(shí)可分為4個(gè)環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)中要進(jìn)行模型的選擇，注意要做好最佳模型的剖析，使其滿足工作需求，而后續(xù)要進(jìn)行恢復(fù)能力佳的模型展開(kāi)構(gòu)建，并結(jié)合模型，對(duì)剛度矩陣[C]進(jìn)行獲取，然后能得到矩陣[K]，并完成相關(guān)主要包括最佳設(shè)計(jì)模型的選擇，對(duì)恢復(fù)力好的模型展開(kāi)建設(shè)，能推導(dǎo)出剛度矩陣[K]，再對(duì)結(jié)構(gòu)材料等因素進(jìn)行研究，進(jìn)而對(duì)[C]做進(jìn)一步分析。之后要對(duì)相關(guān)內(nèi)容展開(kāi)分析，了解地震波值，并對(duì)應(yīng)解法進(jìn)行應(yīng)用，能獲取相應(yīng)結(jié)果。如此可得到HHT法，這種方法的第一次提出是在1987年，現(xiàn)對(duì)該方法的方程展開(kāi)研究，可參考公式（7）。

" " " " " " " " " " " " " " " " " " " （7）

參考公式（7）能得到可處于0～1/3的范圍之內(nèi)，再結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)取值進(jìn)行控制，如果數(shù)值越低，結(jié)果的精確度也就相對(duì)較高。

2 鉛芯隔震支座概述

（1） 構(gòu)成。對(duì)鉛芯隔震支座的構(gòu)成展開(kāi)分析，其屬于隔震結(jié)構(gòu)，另外在分析時(shí)，要注意的參數(shù)值賦予，注意對(duì)周期的研究，減少振動(dòng)頻率降低的情況[2]。

鉛芯隔震支座主要包括6個(gè)部分，螺栓孔可作用于對(duì)鉛芯隔震支座的固定，讓鋼板和橡膠能實(shí)現(xiàn)疊合，并注意對(duì)地震作用力的控制 ，讓疊合層能實(shí)現(xiàn)保護(hù)工作。后續(xù)還可以對(duì)鉛芯進(jìn)行應(yīng)用，讓封板外部使用連接鋼板，促使疊合層的支撐能保持較好的作用。

（2） 恢復(fù)力模型是抗震性分析時(shí)的重要內(nèi)容。先完成對(duì)先固定的恢復(fù)力模型展開(kāi)分析，可對(duì)力和變形關(guān)系展開(kāi)研究?，F(xiàn)代工程領(lǐng)域有較多的恢復(fù)力模型，借助恢復(fù)力模型，能保證鉛芯隔震支座的滯回特性的合理研究。

（3） 動(dòng)力方程模型。鉛芯隔震支座的模型的動(dòng)力方程有二質(zhì)點(diǎn)模型、三質(zhì)點(diǎn)模型、多質(zhì)點(diǎn)模型，在應(yīng)用時(shí)應(yīng)用多質(zhì)點(diǎn)模型會(huì)有較好的應(yīng)用價(jià)值。二質(zhì)點(diǎn)模型雖然比較精簡(jiǎn)，但分析結(jié)果相對(duì)較差。為了便于計(jì)算，可選擇二質(zhì)點(diǎn)模型，做適當(dāng)處理可得到公式（8）的相應(yīng)內(nèi)容。

（8）

參考公式（8），對(duì)公式中的內(nèi)容展開(kāi)分析。其中， "為質(zhì)量； "為剛度； "為位移量； 為阻尼； 為速度； 為加速度； 為質(zhì)量； 為阻尼， 為位移量；為速度； 為加速度； 為地面運(yùn)動(dòng)的加速度。

3 建筑層間隔震結(jié)構(gòu)體系分析及減隔震技術(shù)的應(yīng)用

3.1 建筑層間隔震結(jié)構(gòu)體系分析

對(duì)建筑層間隔震結(jié)構(gòu)體系展開(kāi)研究，可對(duì)滑板支座、滾動(dòng)支座和疊層橡膠支座展開(kāi)利用。橡膠支座會(huì)承受較大的豎向荷載。水平方向也要承擔(dān)荷載。參數(shù)要得到相應(yīng)重視，需承擔(dān)地震應(yīng)力的水平剛度和水平極限變形能力等，保證建筑層間隔震結(jié)構(gòu)體系能發(fā)揮相應(yīng)作用[3]。

3.2 建筑結(jié)構(gòu)減隔震技術(shù)實(shí)際應(yīng)用分析

（1） 建筑結(jié)構(gòu)的隔震技術(shù)應(yīng)用。為滿足減隔震技術(shù)的應(yīng)用，要對(duì)其在建筑中的應(yīng)用展開(kāi)研究的。可結(jié)合建筑的特點(diǎn)，再采取適宜的措施，保證減隔震技術(shù)能發(fā)揮相應(yīng)作用。軟墊減隔震技術(shù)的應(yīng)用，能控制建筑的自振周期。懸吊式隔震技術(shù)的應(yīng)用，也能提高高層建筑的隔震能力。另外，多層懸掛樓板的應(yīng)用，是將地層間隔震技術(shù)和抗震的結(jié)合，且具有較好的隔震效果。

（2） 在建筑結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)的應(yīng)用。在高層建筑建設(shè)時(shí)，建筑是能耗較高的建筑，為了在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用消能減震技術(shù)，可應(yīng)用高延性構(gòu)件，可提高結(jié)構(gòu)阻尼和附設(shè)的耗能裝置，控制抗震和能量吸收和耗能的能力。在控制地震時(shí)，能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的延性進(jìn)行提升。

4 減隔震技術(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)減震性能的影響

4.1 聯(lián)合模型的構(gòu)建

為滿足減震技術(shù)分析，可聯(lián)合使用防屈曲支撐框架和鉛芯隔震支座。模型中要有20個(gè)隔震支座，有16個(gè)利用BRB實(shí)現(xiàn)代替。參數(shù)設(shè)置時(shí)，支座的應(yīng)變可對(duì)水平剛度和阻尼比進(jìn)行控制，可控制為50%，二支座的剪切應(yīng)變可以水平剛度和阻尼比關(guān)系可控制為250%。

4.2 減隔震的結(jié)構(gòu)自振特性

在上述內(nèi)容分析完成后，可對(duì)減隔震結(jié)構(gòu)自振特性展開(kāi)研究，要對(duì)模型的自振特性分析結(jié)果展開(kāi)分析。三個(gè)模型當(dāng)中，公式（1）所示模型1和公式（2）所示模型2的周期基本相同，而減震結(jié)構(gòu)和減震聯(lián)用結(jié)構(gòu)能符合減隔震結(jié)構(gòu)的自振特性研究。如果自振周期長(zhǎng)，地震對(duì)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的危害就相對(duì)較小，通過(guò)隔震層的設(shè)置，能加強(qiáng)對(duì)地震的抵抗水平。在模型1和公式（3）所示的模型3之間，其自振周期基本相同，因?yàn)椴贾肂RB不會(huì)給自振特性帶來(lái)影響。

4.3 減隔震結(jié)構(gòu)非線性時(shí)程分析

首先，對(duì)減隔震結(jié)構(gòu)的非線性時(shí)程分析，能得到地震加速度可設(shè)定為400 gal，罕見(jiàn)地震加速度可設(shè)定為510 gal。其次，對(duì)水平位移峰值展開(kāi)研究，能用數(shù)值19.56描述，降低率控制為59.61%，豎直位移峰值為17.46 mm，降低率控制為57.57%。第三，對(duì)結(jié)構(gòu)樓層的加速對(duì)比展開(kāi)分析。以高層建筑為研究對(duì)象，將BRB和鉛芯隔震支座聯(lián)用和減隔震的應(yīng)用效果基本相同，但是對(duì)地震的抵抗作用差異不明顯。

在500 gal的條件下，對(duì)速度曲線展開(kāi)分析，經(jīng)過(guò)觀察后能發(fā)現(xiàn)數(shù)值要高于400 gal的條件。在頂層加速度分析時(shí)，公式（1）所示的模型1的峰值為6.493 m/s2，降低率為63.03%，以減隔震效果為基礎(chǔ)，能得到BRB和鉛芯隔震支座的聯(lián)合效果較佳。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合高層建筑對(duì)高烈度區(qū)減隔震技術(shù)下的高層鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的影響展開(kāi)研究，主要分析防屈曲支撐框架、鉛芯隔震支座、建筑層間隔震結(jié)構(gòu)體系分析及建筑結(jié)構(gòu)減隔震技術(shù)的應(yīng)用、減隔震技術(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)減震性能的影響等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)高烈度的減隔震技術(shù)下的高層鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的影響的分析，使高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能得以提升，滿足建筑居民日常生活的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王俊.減隔震技術(shù)在高烈度地震區(qū)建筑工程中的應(yīng)用研究[J].建筑施工，2023，45（7）：1374-1377.

[2] 王軍海.高烈度區(qū)減隔震技術(shù)對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)抗震性能影響研究[J].住宅產(chǎn)業(yè)，2023（5）：87-89.

[3] 閆凱.高烈度地區(qū)減隔震橋梁動(dòng)力性能優(yōu)勢(shì)分析[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2022（32）：145-148.

[作者簡(jiǎn)介]宮銘（1991—），男，山東青島人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：建筑工程。