基于能量的新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系抗震性能研究

劉迪1， 趙文蘭2， 徐樹山1， 杜永峰3

(1.商丘師范學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，河南商丘476000； 2.鄭州大學(xué)工程學(xué)院，河南，鄭州450001；

3.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州730050)

摘要：利用能量法分析新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系在地震動過程中的耗能機(jī)制，并對其抗震性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。以某已建成的6層框架結(jié)構(gòu)為研究對象，建立新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型，利用Opensees軟件獲得新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系在不同地震動激勵下的動力響應(yīng)，分析其各子結(jié)構(gòu)的耗能部位及所占比例。結(jié)果表明：新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系的耗能機(jī)制更為合理，其抗震性能優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系，為工程設(shè)計(jì)和研究提供一些參考。

關(guān)鍵詞：能量分析； 消能搖擺結(jié)構(gòu)體系； 耗能機(jī)制； 抗震性能

收稿日期：*2014-08-08

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51178211)

作者簡介：劉迪(1983- )，男，講師，博士，主要從事土木工程、防震減災(zāi)等方面的研究.Email:liudi@sqnc.edu.cn

中圖分類號:TU442.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0114

Study on the Anti-seismic Property of Energy-based New Energy

Dissipation Swing Structure System

LIU Di1， ZHAO Wen-lan2， XU Shu-shan1，DU Yong-feng3

(1.CollegeofArchitectureandCivilEngineering，ShangqiuNormalUniversity，Shangqiu，Henan476000，China；

2.SchoolofCivilEngineering，ZhengzhouUniversity，Zhengzhou，Henan450001，China；

3.LanzhouUniv.ofTech. ，Lanzhou，Gansu730050，China)

Abstract：The focus of this study was the characteristics leading to failure of frame structures in recent major disasters.This study analyzed a new system for energy dissipation using a stiff frame rocking structure.Energy consumption during seismic oscillations was analyzed using the energy method，and a systematic study of the system’s the anti-seismic properties was conducted.With a six-floor frame structure as the research object，a calculation model for the new energy dissipation rocking structure was developed.The dynamic responses of the new system under different seismic oscillations were obtained using the OpenSEES software.Energy consumption and its role in the new were analyzed.Results of the research showed that the mechanism for energy consumption in the new rocking structure was more reasonable，and its anti-seismic properties were an improvement over traditional structural systems.

Key words： energy analysis； energy dissipation rocking structure system； energy consumption mechanism； seismic behavior

0引言

上世紀(jì)中期，美國學(xué)者Housner提出了基于能量的抗震設(shè)計(jì)原則即在地震動過程中，能量通過地面?zhèn)鬟f給結(jié)構(gòu)，并轉(zhuǎn)化成各種不同類型的能量，如動能、結(jié)構(gòu)本身的阻尼耗能和變形能等，進(jìn)而利用地震時能量輸入與輸出相平衡的原理構(gòu)建能量平衡方程[1]。有研究表明：在地震過程中輸入耗能減震結(jié)構(gòu)體系的能量必須與結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部能量的儲存、轉(zhuǎn)換和消耗相平衡。

進(jìn)入新世紀(jì)以來，基礎(chǔ)隔震、消能減振、結(jié)構(gòu)振動的主/被動控制等新的抗震技術(shù)和措施已經(jīng)被廣泛的接受和推廣，并經(jīng)歷了實(shí)際地震考驗(yàn)[2-5]。本文在前人的研究基礎(chǔ)之上，以某已建成的實(shí)際工程為研究對象，構(gòu)建新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系，利用能量法對其在地震過程中的動力響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)。

1計(jì)算模型的建立

1.1新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方案

新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方案的基本思路是分析結(jié)構(gòu)體系在災(zāi)害過程中的易損部位，設(shè)計(jì)既能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)體系提供抗側(cè)剛度，在損傷后又不會對結(jié)構(gòu)的豎向承載力產(chǎn)生較大影響的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，同時兼顧施工建造難度使其易于修復(fù)和更換。根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路和原則，利用鋼管混凝土構(gòu)件作為結(jié)構(gòu)體系的主要抗側(cè)構(gòu)件，形成附設(shè)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系之上的附屬子結(jié)構(gòu)，同時增設(shè)耗能限位裝置。根據(jù)現(xiàn)有震害統(tǒng)計(jì)資料表明：在地震過程中框架結(jié)構(gòu)體系容易出現(xiàn)柱上下端出現(xiàn)塑性鉸，進(jìn)而發(fā)生薄弱層破壞[6-8]。本文通過對已有框架結(jié)構(gòu)外部增設(shè)具有抗側(cè)承載力和抗側(cè)剛度較大的鋼管混凝土搖擺剛架，將搖擺剛架與基礎(chǔ)鉸接，以允許搖擺剛架發(fā)生一定程度的轉(zhuǎn)動，同時在搖擺剛架底部分別設(shè)置黏滯阻尼器形成新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系。

1.2算例模型的建立

以某建成的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為研究對象，在已建成的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)住宅樓的基礎(chǔ)上，利用通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM，根據(jù)新修訂的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)，來進(jìn)行重新的設(shè)計(jì)。

研究對象為6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。首層為停車場，無填充墻；上部為住宅，有橫向和縱向的填充墻?？紤]填充墻影響后，底層剛度顯著小于上部樓層剛度。所在地的抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度, 屬于Ⅱ類第2組，場地特征周期Tg=0.4 s，層高為3.0 m，樓板厚度120 mm。PKPM有限元模型如圖1所示。

圖1　PKPM模型 Fig.1　The PKPM model

圖2　混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 Fig.2　Stress-strain curve of the concrete

模型設(shè)計(jì)中的樓面恒荷載取5.0 kN/m2，活荷載取2.0 kN/m2，組合系數(shù)取0.5。除結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級為C30外，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的混凝土材料強(qiáng)度為C25。縱筋HRB335，箍筋為HPB235。橫向鋼筋和板筋為 HPB235。

采用OpenSees的nonlinear BeamColumn纖維單元模擬鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的梁柱以及搖擺剛架的梁柱和支撐?；炷敛捎玫谋緲?gòu)關(guān)系模型為OpenSees中的uniaxial Material Concrete02，其本構(gòu)關(guān)系模型見圖2。鋼筋以及鋼管混凝土所用的鋼管采用的本構(gòu)關(guān)系模型采用OpenSees中雙線性隨動強(qiáng)化模型uniaxial Material Steel02，其本構(gòu)關(guān)系模型見圖3。

圖3　鋼筋及鋼管的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 Fig.3　Stress-strain curve of the steel bar and steel pipe

圖4　新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系示意圖 Fig.4　Diagram of the new energy dissipation rocking structure system

新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系示意圖如圖4所示。消能裝置采用黏滯阻尼器，并利用OpenSees軟件中Maxwell Material模型進(jìn)行計(jì)算和分析。

利用于Opensees有限元軟件分別構(gòu)建了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)有限元模型和新型消能搖擺剛架結(jié)構(gòu)體系的有限元計(jì)算模型。

曲哲和葉列平[9]通過分析在多遇地震作用下不同剛度比的框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)，分析了不同剛度比下層間位移集中系數(shù)(DCF)與剛度比(搖擺墻剛度/框架剛度)的關(guān)系，擬合得到了不同層數(shù)結(jié)構(gòu)的剛度需求，根據(jù)Gregory A. MacRae[10]的研究，提出了式(1)所示的剛度比α，其近似計(jì)算方法為式(2)和式(3)。

式中，k為搖擺剛架的層間剪切剛度；K為原框架結(jié)構(gòu)的層間剛度；h為框架結(jié)構(gòu)的高度；Escm、Iscm分別為鋼管混凝土架柱和支撐的組合彈性模量和組合慣性矩；Asc=As+Ac為鋼管混凝土截面尺寸；Ec、Ic分別為鋼筋混凝土框架柱的彈性模量和慣性矩；n為每層框架柱的數(shù)量；L為搖擺鋼架中支撐的長度；l為搖擺鋼架的跨度。

根據(jù)不同的剛度比將有限元模型分別命名為RC和modeliA，如表1所示。

表 1　 Opensees有限元模型

2動力響應(yīng)計(jì)算

2.1地震波的選取

現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010) 中5.1.2-3款，針對不同烈度和不同場地類別下的高層建筑，以及甲類或特別不規(guī)則建筑強(qiáng)制要求采用時程分析法做補(bǔ)充計(jì)算。同時規(guī)定地震動輸入樣本為三組時應(yīng)選取不少于2組實(shí)際強(qiáng)震記錄和1組人工模擬的地震加速度時程。選取地震動輸入如表2所示。

表 2　地震波

注：本文中，分別簡稱為EL波，SYL波，BOL波和Lanzhou波

2.2能量分析

在對新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行能量分析時，假定現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在地震過程中的總輸入能量與結(jié)構(gòu)體系本身所消耗的能量維持平衡，則在地震過程中地震動輸入能量只會發(fā)生傳遞與轉(zhuǎn)移，結(jié)構(gòu)體系的動能和彈性應(yīng)變能僅為地震動輸入能量的轉(zhuǎn)換而不能耗能。結(jié)構(gòu)體系的耗能主要依靠其結(jié)構(gòu)構(gòu)件的滯回特性和其本身的耗能，依據(jù)平衡狀態(tài)方程如果減小結(jié)構(gòu)體系承擔(dān)的耗能“重?fù)?dān)”，就可以有效地避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷和破壞。因此在新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)方案中將增設(shè)耗能器件于結(jié)構(gòu)的某些關(guān)鍵部位如圖4所示，使其在地震過程中大量消耗地震能量，從而達(dá)到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的作用。

根據(jù)能量平衡的抗震設(shè)計(jì)原則，可以將能量平衡方程寫成

式中，Ek為結(jié)構(gòu)體系的動能；Ed為結(jié)構(gòu)體系的阻尼耗能；Eh為結(jié)構(gòu)體系的彈性變形能；Es為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的滯回耗能；EIn為地震作用下結(jié)構(gòu)輸入能量。

由式(4)～(8)不難發(fā)現(xiàn)，在總輸入能量不變的情況下，想要避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損毀，需增加結(jié)構(gòu)體系動能和彈性應(yīng)變能、增加阻尼耗能等的占比。但若采取此設(shè)計(jì)方案勢必將增大結(jié)構(gòu)體系自身的剛度，即增大構(gòu)件截面尺寸或提高其強(qiáng)度等級，這樣必然會增大建筑結(jié)構(gòu)在地震過程中的動力響應(yīng)同時也會付出高昂的經(jīng)濟(jì)成本。故前文中采用的增設(shè)黏滯阻尼器以耗散地震能量的方法不失為一種較為理想的選擇。

3計(jì)算結(jié)果分析

利用Opensees 計(jì)算平臺，對前文中的各有限元模型，分別按照現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范5.1.2條所要Ⅷ度罕遇的幅值沿模型X向輸入進(jìn)行彈塑性動力時程分析。

新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系在不同類型地震動輸入下的層間位移角曲線如圖5所示，各工況下RC結(jié)構(gòu)已接近規(guī)范所要求的彈塑性層間位移角限值(1/50)，且底層的層間位移角與頂層層間位移角相差巨大，從而形成了薄弱層，存在嚴(yán)重的安全隱患。編號為M1A～M6A計(jì)算模型在各工況下的層間位移角降為RC結(jié)構(gòu)的50%左右，底部層間位移角與頂層層間位移角的較為接近，各層變形趨于統(tǒng)一，有效地避免了薄弱層的出現(xiàn)。

圖5　新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系層間位移角 Fig.5　The inter-story drift ratio of new energy dissipation rocking structure

模型M1A～M6A在BOL波下的能量曲線如圖6所示，通過分析發(fā)現(xiàn)：隨著剛度比的增加，黏滯阻尼器的耗能曲線不斷地降低，結(jié)構(gòu)的耗能曲線逐漸抬升。根據(jù)能量平衡原則，在總輸入能量不變的情況下，如結(jié)構(gòu)自身的耗能占比增加，則黏滯阻尼器的耗能占比必將縮減；也正是逐漸增大的剛度比使得建筑結(jié)構(gòu)上部各層的變形增加從而導(dǎo)致越來越多的結(jié)構(gòu)構(gòu)件加入到耗散地震能量的工作中來，在總輸入能量不變的情況下，黏滯阻尼器的耗能占比減小。

為了更直觀、更明了地對地震過程中黏滯阻尼器耗能的情況進(jìn)行分析，將黏滯阻尼器耗能在整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的比例以數(shù)字形式進(jìn)行量化，如表3所示。

4結(jié)論

利用Opensees分析平臺，分別對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和新型消能搖擺結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同地震工況下的動力彈塑性時程分析與能量分析，結(jié)果如下：

(1) 新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系可以有效地改變原結(jié)構(gòu)的變形模式，顯著的減小層間位移角幅值，抑制了薄弱層的出現(xiàn)從而避免發(fā)生層屈服機(jī)制破壞。

表 3　黏滯阻尼器耗能占比

注：D-Dampere；S-Structure

圖6　Bol波工況下的能量分析 Fig.6　Energy analysis under Bol wave

(2) 當(dāng)剛度比較小時，黏滯阻尼器可以顯著地降低動力荷載作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，但是隨著剛度比的增加，更多的結(jié)構(gòu)構(gòu)件參與耗能，黏滯阻尼器耗能占比逐步降低。

(3) 新型消能搖擺結(jié)構(gòu)體系在罕遇地震動作用下，能夠切實(shí)提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能。

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