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高烈度區高層鋼結構消能減震設計分析

高烈度區高層鋼結構消能減震設計分析


前言

消能減震技術是在結構中某些相對變形較大的部位安裝消能裝置或者將某些非承重構件設計成消能構件,通過消能裝置和消能構件大量消耗地震輸入能量,達到減震目的[1]。

與傳統抗震結構相比,消能減震結構更為安全。傳統抗震結構的消能構件就是主體結構構件本身,如框架結構中的框架梁等。由于地震的隨機性和結構在設計、計算和施工方面的誤差,結構在地震中的破壞位置和破壞程度通常難以精確控制。特別在罕遇地震下,難以確保承重結構構件的安全。消能減震結構中專門設置消能構件大量消耗地震能量,減小結構的地震反應,從而有效保護主體結構的承重構件。消能減震結構中,不同結構構件的功能明確,更有利于提高結構的抗震性能。

1、工程概況

本項目位于云南省某市,地上層數4層,地下室為2層,地上建筑面積17029.03m2,總高度29.65m。地下負2層為車庫,地下負1層為超市,地上1~2層為商業,3層為KTV,4層為電影院,屋頂為種植屋面。本工程結構設計使用年限為50年,抗震設防烈度為8度(0.20g),設計地震分組為第三組,場地類別II類,場地特征周期0.45s,建筑物抗震設防類別為重點設防類,采用鋼框架結構體系。建筑立面圖見圖1。


鋼結構設計

圖1 效果圖


由于本項目位于高烈度地區,應充分重視建筑結構的抗震性能,尤其在罕遇地震作用下結構的抗倒塌性能,為了提高該結構地震下的安全性,本工程擬采用消能減震設計加強結構的抗震性能。


2、消能減震方案

2.1消能減震技術選擇

鋼框架結構和鋼框架-支撐結結構在高層建筑中應用十分廣泛,但純鋼框架結構的抗側剛度有限,在地震和強風荷載作用下,側向位移較大,限制了它的應用高度。鋼框架-支撐結構在一定程度上解決了結構抗側剛度的問題,但支撐在中震或強震作用下受壓時,易產生屈曲現象,極易造成支撐本身和連接的破壞或失效,同時支撐屈曲后的滯回耗能能力變差,很難有效地耗能,使結構抗震能力降低。為了解決支撐受壓屈曲的問題,國外學者經過多年研究,研制出一種可以避免發生屈曲的支撐,稱為屈曲約束支撐(BRB)。屈曲約束支撐是由芯材,外套筒以及套筒內無粘結材料組成。雖然BRB形式多樣,但原理基本相似,利用剛度較大的外套筒限制中心芯板的屈曲。支撐的中心是芯材,為避免芯材受壓時整體屈曲,即在受拉和受壓時都能達到屈服,芯材被置于一個鋼套管內,然后在套管內灌注填充材料,該填充材料具有一定的強度,又有較好的密實性,且耐久性優越。由于克服了傳統支撐受壓發生屈曲的特點,屈曲約束支撐在彈性階段是強度較高的斜撐構件,在核心構件屈服后又是一種性能優越的消能組件,能有效的吸收地震產生的能量[2]。

本工程消能減震設計采用屈曲約束支撐(BRB)作為消能減震部件。一方面,為結構提供足夠的剛度,另一方面,阻尼器在大震下進行耗能。雖然阻尼器投資較大,但是增強了本結構的結構安全性,提升了建筑抗震能力,改善了建筑了使用環境,對本建筑有著重大意義。

2.2屈曲約束支撐設計內容

屈曲約束支撐,利用芯材的屈服變形滯回耗能來吸收地震能量,此類消能減震器為位移型阻尼器。針對本工程,其具體設計內容主要包括:

(1)確定YJK軟件中結構的等代支撐剛度,確定消能減震器參數和數量,以及消能減震器的安裝位置及型式;

(2)計算附設減震器的減震結構在多遇地震作用下的結構響應:

(3)進行彈性時程分析,復核小震下位移角;

(4)罕遇地震作用下,進行彈塑性位移驗算,對承載力不足的構件進行相應調整,最后完成與阻尼器相連的連接構件和結構構件的設計。

2.3結構減震目標和性能目標

本工程在多遇地震和罕遇地震作用下的減震目標,以及與消能減震器相連的構件和節點的性能目標及其設計方法如表1,表2所示:


鋼結構設計


3、消能減震分析

3.1屈曲約束支撐布置方案

屈曲約束支撐是通過桿件屈服變形吸收能量的方式得到抗震、減震效果。因此,屈曲約束支撐宜優先考慮布置在地震荷載作用下軸向變形較大或相對位移較大的位置。在水平地震作用下,應盡量避免支撐體系布置使得結構不對稱而產生的總體扭轉破壞,因此屈曲約束支撐在框架結構中的布置應遵循對稱、均勻、周邊、分散的原則。從上述原則出發,本工程的屈曲約束支撐主要布置在四個角部,見圖2,同時豎向1~4層連續布置,避免剛度削弱或突變形成薄弱部位。


鋼結構設計

屈曲約束支撐平面布置圖


本工程一共使用66個屈曲約束支撐,通過調整支撐的彈性段來歸并,使BRB的種類不致過多,屈曲約束支撐參數性能表見表3


鋼結構設計

3.2 小震彈性時程分析

本工程使用SAP2000建立結構模型,并進行計算與分析。SAP2000軟件具有方便靈活的建模、模擬功能和強大的線性和非線性動力分析功能,模型中屈曲約束支撐采用非線性單元模擬。通過對減震結構進行彈性時程分析,查看屈曲約束支撐在小震下的受力情況,同時復核結構小震下的層間位移角。彈性時程分析時,選取了5條實際強震記錄和2條人工模擬的加速度時程曲線,7條時程曲線(圖4所示)均滿足建筑抗震設計的相關要求如特征周期、加速度峰值、持時等。其中,人工波按II類場地第3組(0.45s)合成,自然波均取自II類場地上的實際記錄。圖5給出了7條時程曲線平均值擬合反應譜與規范反應譜對比的結果。計算結果表明,在多遇地震作用下支撐的受力均小于屈服承載力,保持彈性僅提供剛度,X向位移角為1/603,Y向位移角為1/589(如圖6所示),滿足預定的結構性能目標。

鋼結構設計

圖4 加速度時程曲線


鋼結構設計

時程反應譜與規范反應譜曲線對比



鋼結構設計

小震作用下層間位移角

3.3 大震彈塑性時程分析

對原結構和安裝屈曲約束支撐之后的減震結構分別進行罕遇地震下的彈塑性時程分析。彈塑性時程分析過程考慮材料非線性;采用小變形假定;不考慮結構的幾何非線性。對運動微分方程的求解,選擇程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步積分法。彈塑性時程分析過程中,根據規范對所選地震波進行調幅,調幅后的峰值加速度為400cm/s2。選取彈性時程分析中的三條地震波進行大震分析,分析結果取包絡值。主體結構框架梁、柱均定義塑性鉸。

3.3.1 層間位移角

在罕遇地震作用下,設置屈曲約束支撐的結構與未設置支撐的原結構層間位移角對比見表4,結果表明,罕遇地震下減震結構的層間位移角與原結構層間位移角之比X向為70.5%,Y方向為73.5%,采用消能減震設計后,極大地提高了結構在罕遇地震作用下的抗倒塌能力。


鋼結構設計


3.3.2 塑性鉸分布

為了保證“大震不倒”,結構在地震作用下必須具有合理的耗能機制,允許結構在大震作用下部分構件進入塑性,結構耗能與結構出鉸情況及出鉸順序有關。以SAN號波Y方向地震工況為例,主要變形最大時刻結果的非彈性鉸結果見圖7,結果表明,僅有少量框架梁進入塑性,罕遇地震下各主要構件的性能均滿足預定抗震性能目標。

鋼結構設計

圖7 結構整體在SAN號波Y方向地震工況小出鉸情況


3.3.3 減震器在大震下的出力及位移

屈曲約束支撐在大震下的出力見表5。根據彈塑性時程的計算結果,在罕遇地震作用下,主體結構所設置的屈曲約束支撐都進入塑性耗能,減少了主體結構的損傷。由屈曲約束支撐的滯回曲線(見圖8)可以看出,其符合結構設計意圖,滯回曲線飽滿,發揮了耗散地震能量的作用。


鋼結構設計

圖8 屈曲約束支撐的滯回曲線


4、結語

通過對工程實例的研究分析,介紹了屈曲約束支撐在高層鋼結構結構設計中的具體應用,得到如下結論:

(1)屈曲約束支撐由于沒有受壓穩定問題,在小震下構件承載力比普通支撐提高2-10倍,在提高了結構抗震性能的基礎上,可以使結構的截面尺寸大大減小,實現安全、經濟的目的。

(2)在多遇地震作用下,屈曲約束支撐可以為結構提供抗側剛度,使結構的層間位移角滿足規范要求,滿足小震不壞的設防目標

(3)在罕遇地震作用下,屈曲約束支撐作為結構第一道防線,支撐率先屈服耗能,減小主體框架結構的損傷,同時屈曲支撐屈服后具有穩定的承載力和延性,實現結構剛度的有限增加和延性破壞機制。

(4)由于屈曲約束支撐布置在建筑外圍,能夠增加結構的抗扭剛度,滿足扭轉位移比和周期比要求,解決結構超限問題。





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