運用防屈曲支撐的混凝土框架結構的抗震性能研究

趙杰1， 孫曉艷1， 霍林生2

(1.大連大學 土木工程技術研究與開發(fā)中心，遼寧 大連116622； 2.大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連116023)

摘要：簡要介紹地震安全社區(qū)的實現途徑以及防屈曲支撐的構成和性能參數。運用ABAQUS軟件對有無安裝防屈曲支撐的鋼筋混凝土框架模型進行動力時程分析，總結分析防屈曲支撐對鋼筋混凝土框架結構的減震效果。結果表明，防屈曲支撐能大大降低鋼筋混凝土框架結構在罕遇地震作用下的層間位移角，提高建筑物抗震性能，使地震安全社區(qū)中抗震設防烈度為Ⅶ度的建筑物能夠抵御Ⅷ度罕遇地震。

關鍵詞：抗震性能； 設防烈度； 防屈曲支撐； 減震； 彈塑性動力時程分析

收稿日期：*2014-05-15

基金項目：公益性行業(yè)科研專項經費項目(201508014)；大連市科技計劃項目

作者簡介：趙杰(1980-)，男，河北邢臺人，講師，博士，從事地下工程穩(wěn)定分析和工程抗震研究.E-mail：zhaojie_gd@163.com

中圖分類號:TU394+.2文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0100

SeismicPerformanceofConcreteFrameStructureswith

Buckling-restrainedBraces

ZHAOJie1， SUN Xiao-yan1， HUO Lin-sheng2

(1.Research and Development Center of Civil Engineering Technology，Dalian University，Dalian，Liaoning116622，China；

2.Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning116023，China)

Abstract：This article briefly introduces the seismic safety community and the composition and performance parameters of buckling-restrained braces.The seismic safety community is the community that experiences small destructive earthquakes.Specifically，these communities have carried out effective seismic fortification of all buildings in compliance with seismic hazard regulations.In the seismic safety community，improving the seismic performance of buildings is the primary goal.Local seismic fortifications meet the minimum seismic requirements，and the level of fortification of buildings is increased using certain technical measures.The traditional method of seismic fortification is to increase the size of major structural components，such as beams，columns，and shear walls，and to improve the ratio of reinforcements to buildings.However，increasing the amount of material increases cost and reduces the usable area of buildings.The new method calls for change to the seismic characteristics of the structure itself and improvements to its capacity for energy dissipation through the use of isolation and dissipation technologies.In the structural system，the seismic sections generally remain the same，and cost increases are small.Buckling-restrained braces have gained widespread application as measures for energy dissipation and earthquake resistance.They also overcome the disadvantages of traditional energy dissipation braces.The component’s full section will yield during compression，effectively minimizing local buckling failure and overall buckling failure.Therefore，the energy dissipation capacity of the components is maximized and the seismic response of the structure is reduced.The Dalian Aonan Mingxiu manor project described in the paper is a pilot project undertaken in the Dalian earthquake safety community.The project addresses building security and earthquake safety at the design stage.By installing buckling-restrained braces，the seismic characteristics of the structure itself are changed.To determine whether the structure can achieve the goals of seismic fortification，the project conducts an elastic-plastic analysis by installing buckling-restrained braces in the original frame structure.In this study, the ABAQUS software was used to conduct the dynamic and time-history analysis of two models of reinforced concrete framework: the origin structure and the structure with buckling-restrained braces added.The shock absorption effects of the buckling-restrained braces were analyzed.The results of the analysis showed that buckling-restrained braces could significantly reduce the inter-storey drift angle of a reinforced concrete frame during rare earthquakes and improve the level of seismic fortification buildings.

Keywords：seismicperformance；fortificationintensity；buckling-restrainedbrace；shockabsorption；elastic-plasticdynamictime-historyanalysis

0引言

歷史上大量破壞性地震(如唐山地震、汶川地震等)造成了嚴重人員傷亡[1]，為此2009年大連率先在全國提出建設“地震安全社區(qū)”的理念，把以往建設“安全社區(qū)”的理念提升到建設“地震安全社區(qū)”這樣一個新的高度。在地震安全社區(qū)建設中，提高建筑結構的抗震性能是最核心的內容，要將當地的地震設防烈度視為最低抗震要求，通過一定技術措施適當提高社區(qū)建筑物的設防等級水平，主要有兩種技術途徑：

(1) 按照更高的設防烈度標準進行建筑結構體系的設計，加大受力結構部件(如梁、柱、剪力墻等)的幾何尺寸，提高結構的配筋率等。但是，材料用量的增加使得造價提高、建筑使用面積減小，自重增加很大的同時又對承載能力有了更高的要求。

(2) 應用隔震和消能減震技術[2]改變結構自身的抗震特性，提高結構的耗能減震能力，結構體系中抗震構件截面一般不變，造價提高較少。

目前在建筑結構中安裝軟鋼阻尼器、黏滯阻尼器、防屈曲支撐等都能起到良好的耗能效果，其中防屈曲支撐因具有良好的抗震性和經濟性得到了廣泛的應用。2000 年美國加州大學Davis分校植物與環(huán)境科學大樓采用 132 根屈曲約束支撐作為其抗側力構件，成為美國第一棟采用屈曲約束支撐的結構。2008 年我國生產的TJI型屈曲約束支撐已經在上海世博中心、山西賓利國際商務公寓等一批建筑上得到了實際應用。本文所介紹的大連澳南·明秀莊園工程是大連地震安全社區(qū)建設中的一個試點項目，在設計階段充分考慮了地震安全社區(qū)的建筑設防標準，對抗震規(guī)范規(guī)定的最低設防烈度下設計的建筑物通過采用安裝防屈曲支撐的消能減震技術來改變結構自身的抗震特性，使地震安全社區(qū)中抗震設防烈度為Ⅶ度的建筑物能夠抵御Ⅷ度罕遇地震。

1防屈曲支撐的構成

防屈曲支撐(BRB)克服了傳統(tǒng)耗能支撐的弊端，由于增加了外包約束單元，內核元件在受壓時會達到全截面屈服，能有效地控制支撐的局部屈曲破壞和整體屈曲破壞的發(fā)生，從而最大限度地發(fā)揮構件的耗能能力，減弱結構的地震反應[3-4]。BRB一般分為三部分：核心單元、約束單元及滑動機制單元(圖1)。

圖1　防屈曲支撐結構圖 Fig.1　Buckling-restrained brace structure diagram

核心單元又稱為主受力單元，是承受拉壓作用并通過屈服而耗散地震能量的重要構件。約束單元又稱側向約束單元，主要作用是增強核心單元的抗彎剛度，避免核心單元在受壓時產生低階大幅值的屈曲變形，使之始終近似處于軸向受拉受壓狀態(tài)，最大程度地發(fā)揮防屈曲支撐的耗能能力。滑動機制單元又稱脫層單元，該部分材料在核心單元與約束單元之間提供足夠的滑動界面，從而使內芯鋼材在受拉與受壓時盡可能有相似的力學性能，減小因核心單元與約束單元間產生握裹或摩擦力而造成的過大壓力。

2防屈曲支撐的性能參數

在實際應用中，屈曲支撐可視為一單純軸力構件，它可由高低屈服強度鋼板的使用及軸向各分段面積及長度比例的調整來達到所需的強度和剛度。以下分別介紹這些性能參數：

2.1屈服承載力和極限承載力

支撐構件的屈服承載力Fy和極限承載力Fmax可表示如下：

其中Ac為核心面積；fy為材料的屈服強度；β、Ω、Ωk分別反映最大軸壓力與最大軸拉力之比、材料安全系數及應變硬化等效應的影響。試驗結果證實β可取1.1[5]，而Ω及Ωk可假設為1.5。

2.2名義屈服強度

文獻[6]對安裝屈曲支撐的結構模型進行了循環(huán)荷載試驗，試驗結果表明BRB的屈曲強度和外部混凝土套管或鋼套管的撓曲強度有密切關系，建議BRB的名義屈服強度Pb可以用下式計算。

式中：E為外部套管的彈性模量；I為外部套管的慣性矩；L為支撐長度；δ0為支撐初始缺陷(建議取L/1 000)；My為套管的名義屈服彎矩。

2.3等效剛度

因為防屈曲支撐構件整體的截面積并非完全一致，而是包含連接段、過渡段和耗能段，因此防屈曲支撐構件的彈性剛度必須以此三段串聯(lián)后的等效剛度來決定。連接段、過渡段、耗能段長度分別為L1，L2，L3；面積分別為A1，A2，A3；剛度分別為K1，K2，K3，鋼材彈性模量為E。其中K=EA/L，則等效剛度為：

3工程實例計算

3.1工程概況

該工程位于大連市中山區(qū)秀月街南側，擬建樓房為四層別墅，場地類別為Ⅱ類，工程抗震設防烈度Ⅶ度，工作目標是通過消能減震技術的應用使抗震設防烈度為Ⅶ度的建筑物能夠抵御Ⅷ度罕遇地震。原方案為框架結構，本項目在框架結構中安裝防屈曲支撐，對結構進行彈塑性分析, 并判定結構是否達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標[7-8]。

本項目中防屈曲支撐采用的是TJ60型，即屈服承載力為600 kN，等效剛度為2×108N/m，屈服后剛度比為0.02。分別在原剪力墻位置，沿x方向設置6個防屈曲支撐，y方向設置3個防屈曲支撐，結構中共設置9個。其整體模型如圖2所示。

圖2　支撐布置三維圖 Fig.2　Three-dimensional map of brace layout

3.2計算軟件選用及模型參數

計算程序采用 ABAQUS 軟件，它包含一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫，并擁有各種類型的材料模型庫，能夠駕馭非常龐大復雜的問題和模擬高度非線性問題。模型建立中，梁柱構件采用截面纖維模型單元B31，考慮剪切變形，并在梁柱截面設多個積分點用于反映截面的應力-應變關系，截面積分點由程序自動設置。將防屈曲支撐簡化為一個連接單元，本構為鋼結構的Combine模型，并賦予該單元所對應的支撐耗能屬性[9]。Combine模型克服了常見的雙線性模型中材料屈服應力面固定不變的缺陷，應力面在該模型下會隨著塑性變形程度的增加而擴展；并且其可以考慮多個背應力相關影響下的變形情況，屈服后的塑性鉸可通過支撐在屈服后的剛度變化來體現。

3.3地震波的選取

根據《建筑抗震設計規(guī)范》[10]的規(guī)定，對罕遇地震驗算采用三組強震地面運動加速度記錄作為非線性動力時程分析的地震輸入。在三組強震記錄中，一組為與設計目標反應譜相符的人工模擬地面加速度時程，其余二組為與設計目標反應譜相符的真實強震地面加速度記錄。地震波選取了三類地震波，一類為人工波，另外兩類天然波分別為Taft波和Northridge地震波。各地震波的加速度時程圖如圖3所示。

3.4計算結果及分析

3.4.1自振周期及振型

建筑結構自振周期是一個重要的設計參數，它不僅與建筑平面布置、構件剛度、質量分布、材料特性等因素有關，還與建筑所處的地基狀況以及地震動強烈程度(含結構變形的狀態(tài))有關。它反映的是結構自身固有的動力學特性，是判斷建筑結構設計是否合理的一個重要依據，也是衡量高層建筑結構剛度是否合理、質量與剛度是否匹配的重要指標。ABAQUS 對該別墅計算出的自振周期及振型如圖4所示。

圖3?、刃≌鸷廷却笳鹣碌卣鸩?Fig.3　Seismic waves of small earthquakes and strong earthquakes in Ⅷ intensity zone

圖4　別墅1～3振型 Fig.4　Mode of vibration 1～3 of the villa

圖4所示為該別墅的前 3 階振型。對模型振型進行分析，由于該建筑物X方向的剛度比Y方向的剛度小，所以第 1 振型在建筑物的長軸方向，第 2 振型為Y方向“一邊倒”平移，第 3振型為扭轉振型?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范》3.5.3條3款條文說明：結構在兩個主軸方向的動力特性(周期和振型)宜相近?！陡邔咏ㄖ炷两Y構技術規(guī)程》[11]3.4.5條也規(guī)定結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比不應大于0.9。經分析，該模型的周期和振型都滿足以上要求，說明該計算模型較為合理。

3.4.2地震響應分析

分別在Ⅷ度多遇和Ⅷ度罕遇地震作用下沿水平方向雙向輸入三類地震波，X方向為主方向。通過動力時程分析可得位移和層間位移角隨樓層高度的變化情況，樓層位移變化如圖5(篇幅限制，僅列出Ⅷ度多遇地震作用下的位移變化)。層間最大位移角匯總如表2所示。

圖5　三類地震波在無支撐和有支撐下X向和Y向的位移-高度曲線對比 Fig.5　Comparison of displacement in X，Y directions with and without BRA under the action of 3 seismic waves

從圖5中可以看出加防屈曲支撐后，結構在3類地震波的作用下X和Y方向位移都有所減小，說明安裝阻尼器后給結構附加了剛度和阻尼，達到了對結構振動進行控制的目的。表1為按文獻[12]中能量方法計算出的等效阻尼比，可以看出在最大承載狀態(tài)時等效阻尼比均大于《建筑抗震設計規(guī)范》中規(guī)定的結構一般阻尼比0.05，說明防屈曲支撐增加了整個結構的耗能能力。

表 1三類地震波下的等效阻尼比

Table 1The equivalent damping ratios under three types of seismic waves

人工波Taft波Northridge波u1方向0.0880.0960.061u2方向0.0680.0710.059

圖5中還能看出Ⅷ度多遇Northridge波作用

下位移出現了先減小后增大的現象。這是因為本結構的防屈曲支撐集中布置在底層，其對底層的控制效果相對頂層而言效果更加明顯。另外加防屈曲支撐結構剛度的抗側剛度較純框架結構大，整個結構在多遇地震作用下基本處于彈性的階段，防屈曲支撐基本沒有屈服，結構的地震作用增大，結構頂層的位移會放大。表2顯示，加支撐前在Ⅷ度多遇Taft波下的最大層間位移角超過規(guī)范規(guī)定的1/550，加防屈曲支撐后，框架結構的彈性層間位移角均在規(guī)范規(guī)定的1/550范圍之內，彈塑性層間位移角也均在規(guī)范規(guī)定的1/50范圍之內。層間最大位移角的控制效果在10%～60%之間，這三類地震波中Taft波的減震控制效果最佳。對于不同類型的地震波,防屈曲支撐的減震效果是不同的,這說明地震波的頻譜特性對于防屈曲支撐的控制效果起著重要的作用。

表 2　三類地震波下的最大層間位移角

注：影響效果=(有支撐-無支撐)/無支撐

4結論

采用ABAQUS有限元分析軟件，建立了大連地震安全社區(qū)中某別墅三維結構分析模型，對其進行了地震作用下有支撐和無支撐的地震反應分析，初步獲得如下結論：

(1) 結構各樓層的剛度分布較均勻，未發(fā)現明顯薄弱層。采用合理設計后，防屈曲支撐對結構位移起到了良好地控制效果。

(2) 防屈曲支撐能大大降低鋼筋混凝土框架結構在罕遇地震作用下的層間位移角，提高建筑物抗震性能，使地震安全社區(qū)中抗震設防烈度為Ⅶ度的建筑物能夠抵御Ⅷ度罕遇地震。

(3) 防屈曲支撐能夠有效地控制結構的地震反應，且構造簡單、性能可靠，具有很好的應用價值。同時可進一步研究防屈曲支撐與結構之間的關系，優(yōu)化配置，進一步改善消能減震效果。

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