前言
高烈度區(qū)高層鋼結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計分析
消能減震技術(shù)是在結(jié)構(gòu)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(gòu)件設(shè)計成消能構(gòu)件，通過消能裝置和消能構(gòu)件大量消耗地震輸入能量，達(dá)到減震目的[1]。
與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比，消能減震結(jié)構(gòu)更為安全。傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的消能構(gòu)件就是主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身，如框架結(jié)構(gòu)中的框架梁等。由于地震的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)在設(shè)計、計算和施工方面的誤差，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全。消能減震結(jié)構(gòu)中專門設(shè)置消能構(gòu)件大量消耗地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而有效保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件。消能減震結(jié)構(gòu)中，不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的功能明確，更有利于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。
1、工程概況
本項目位于云南省某市，地上層數(shù)4層，地下室為2層，地上建筑面積17029.03m2，總高度29.65m。地下負(fù)2層為車庫，地下負(fù)1層為超市，地上1~2層為商業(yè)，3層為KTV，4層為電影院，屋頂為種植屋面。本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為8度（0.20g），設(shè)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(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系。建筑立面圖見圖1。
圖1 效果圖
由于本項目位于高烈度地區(qū)，應(yīng)充分重視建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，尤其在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能，為了提高該結(jié)構(gòu)地震下的安全性，本工程擬采用消能減震設(shè)計加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能。
2、消能減震方案
2.1消能減震技術(shù)選擇
鋼框架結(jié)構(gòu)和鋼框架-支撐結(jié)結(jié)構(gòu)在高層建筑中應(yīng)用十分廣泛，但純鋼框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有限，在地震和強(qiáng)風(fēng)荷載作用下，側(cè)向位移較大，限制了它的應(yīng)用高度。鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)在一定程度上解決了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的問題，但支撐在中震或強(qiáng)震作用下受壓時，易產(chǎn)生屈曲現(xiàn)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(jié)構(gòu)抗震能力降低。為了解決支撐受壓屈曲的問題，國外學(xué)者經(jīng)過多年研究，研制出一種可以避免發(fā)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(nèi)無粘結(jié)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(dá)到屈服，芯材被置于一個鋼套管內(nèi)，然后在套管內(nèi)灌注填充材料，該填充材料具有一定的強(qiáng)度，又有較好的密實(shí)性，且耐久性優(yōu)越。由于克服了傳統(tǒng)支撐受壓發(fā)生屈曲的特點(diǎn)，屈曲約束支撐在彈性階段是強(qiáng)度較高的斜撐構(gòu)件，在核心構(gòu)件屈服后又是一種性能優(yōu)越的消能組件，能有效的吸收地震產(chǎn)生的能量[2]。
本工程消能減震設(shè)計采用屈曲約束支撐(BRB)作為消能減震部件。一方面，為結(jié)構(gòu)提供足夠的剛度，另一方面，阻尼器在大震下進(jìn)行耗能。雖然阻尼器投資較大，但是增強(qiáng)了本結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)安全性，提升了建筑抗震能力，改善了建筑了使用環(huán)境，對本建筑有著重大意義。
2.2屈曲約束支撐設(shè)計內(nèi)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(shè)計內(nèi)容主要包括：
（1）確定YJK軟件中結(jié)構(gòu)的等代支撐剛度，確定消能減震器參數(shù)和數(shù)量，以及消能減震器的安裝位置及型式；
（2）計算附設(shè)減震器的減震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)：
（3）進(jìn)行彈性時程分析，復(fù)核小震下位移角；
（4）罕遇地震作用下，進(jìn)行彈塑性位移驗(yàn)算，對承載力不足的構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，最后完成與阻尼器相連的連接構(gòu)件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計。
2.3結(jié)構(gòu)減震目標(biāo)和性能目標(biāo)
本工程在多遇地震和罕遇地震作用下的減震目標(biāo)，以及與消能減震器相連的構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的性能目標(biāo)及其設(shè)計方法如表1，表2所示：
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(yōu)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(yīng)盡量避免支撐體系布置使得結(jié)構(gòu)不對稱而產(chǎn)生的總體扭轉(zhuǎn)破壞，因此屈曲約束支撐在框架結(jié)構(gòu)中的布置應(yīng)遵循對稱、均勻、周邊、分散的原則。從上述原則出發(fā)，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(xù)布置，避免剛度削弱或突變形成薄弱部位。
圖2 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(diào)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(shù)性能表見表3
3.2 小震彈性時程分析
本工程使用SAP2000建立結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行計算與分析。SAP2000軟件具有方便靈活的建模、模擬功能和強(qiáng)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(fù)核結(jié)構(gòu)小震下的層間位移角。彈性時程分析時，選取了5條實(shí)際強(qiáng)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(shè)計的相關(guān)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(shí)際記錄。圖5給出了7條時程曲線平均值擬合反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比的結(jié)果。計算結(jié)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(yù)定的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)。
圖4 加速度時程曲線
圖5 時程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線對比
圖6 小震作用下層間位移角
3.3 大震彈塑性時程分析
對原結(jié)構(gòu)和安裝屈曲約束支撐之后的減震結(jié)構(gòu)分別進(jìn)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(jié)構(gòu)的幾何非線性。對運(yùn)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(jù)規(guī)范對所選地震波進(jìn)行調(diào)幅，調(diào)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(jìn)行大震分析，分析結(jié)果取包絡(luò)值。主體結(jié)構(gòu)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(shè)置屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)與未設(shè)置支撐的原結(jié)構(gòu)層間位移角對比見表4，結(jié)果表明，罕遇地震下減震結(jié)構(gòu)的層間位移角與原結(jié)構(gòu)層間位移角之比X向?yàn)?0.5%，Y方向?yàn)?3.5%，采用消能減震設(shè)計后，極大地提高了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗倒塌能力。
3.3.2 塑性鉸分布
為了保證“大震不倒”，結(jié)構(gòu)在地震作用下必須具有合理的耗能機(jī)制，允許結(jié)構(gòu)在大震作用下部分構(gòu)件進(jìn)入塑性，結(jié)構(gòu)耗能與結(jié)構(gòu)出鉸情況及出鉸順序有關(guān)。以SAN號波Y方向地震工況為例，主要變形最大時刻結(jié)果的非彈性鉸結(jié)果見圖7，結(jié)果表明，僅有少量框架梁進(jìn)入塑性，罕遇地震下各主要構(gòu)件的性能均滿足預(yù)定抗震性能目標(biāo)。
圖7 結(jié)構(gòu)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(jù)彈塑性時程的計算結(jié)果，在罕遇地震作用下，主體結(jié)構(gòu)所設(shè)置的屈曲約束支撐都進(jìn)入塑性耗能，減少了主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計意圖，滯回曲線飽滿，發(fā)揮了耗散地震能量的作用。
圖8 屈曲約束支撐的滯回曲線
4、結(jié)語
通過對工程實(shí)例的研究分析，介紹了屈曲約束支撐在高層鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體應(yīng)用，得到如下結(jié)論：
（1）屈曲約束支撐由于沒有受壓穩(wěn)定問題，在小震下構(gòu)件承載力比普通支撐提高2-10倍，在提高了結(jié)構(gòu)抗震性能的基礎(chǔ)上，可以使結(jié)構(gòu)的截面尺寸大大減小，實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)的目的。
（2）在多遇地震作用下，屈曲約束支撐可以為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度，使結(jié)構(gòu)的層間位移角滿足規(guī)范要求，滿足小震不壞的設(shè)防目標(biāo)
（3）在罕遇地震作用下，屈曲約束支撐作為結(jié)構(gòu)第一道防線，支撐率先屈服耗能，減小主體框架結(jié)構(gòu)的損傷，同時屈曲支撐屈服后具有穩(wěn)定的承載力和延性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度的有限增加和延性破壞機(jī)制。
（4）由于屈曲約束支撐布置在建筑外圍，能夠增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，滿足扭轉(zhuǎn)位移比和周期比要求，解決結(jié)構(gòu)超限問題。
