譚燕秋，王穎欣

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲056038;)

蹺動減震技術(shù)是允許上部結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)脫離，通過上部結(jié)構(gòu)的晃動來隔震的一個新穎的減震設(shè)計概念，一般用于鋼框架結(jié)構(gòu)減震設(shè)計中。蹺動減震技術(shù)由于抗震性能好、基礎(chǔ)構(gòu)造簡化、經(jīng)濟效果明顯這些優(yōu)點，在國際上已成為工程抗震領(lǐng)域一個新的研究熱點［1－4］。我國針對建筑結(jié)構(gòu)蹺動減震的研究剛剛起步，孫飛飛等［5］研究了自回復(fù)減震結(jié)構(gòu)的自回復(fù)性能;楊芳等［6］則對BRC蹺動減震技術(shù)的影響方面進行深入的研究。本文通過一個12層鋼結(jié)構(gòu)框架算例在地震波作用下的頂層最大位移、基底剪力和頂層絕對加速度時程這幾種結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析，得到BRC蹺動結(jié)構(gòu)對于高層鋼框架結(jié)構(gòu)減震的主要影響方面。

1 屈曲約束柱BRC模型的建立

1.1 BRC的減震原理

自回復(fù)蹺動減震結(jié)構(gòu)的蹺動是通過自回復(fù)蹺動減震柱柱底的抬起和閉合來實現(xiàn)。本文采用屈曲約束柱(BRC)作為自回復(fù)蹺動減震底柱。屈曲約束柱(Buckling Restrained Column，簡稱BRC)蹺動減震技術(shù)是將屈曲約束支撐用作底層柱，大震作用時的豎向拔力將使屈曲約束柱產(chǎn)生較大的變形，產(chǎn)生蹺動，同時其優(yōu)異的滯回耗能又可作為被動控制構(gòu)件耗散地震輸入的能量。根據(jù)能力設(shè)計的概念，可以將這些屈曲約束柱作為可犧牲構(gòu)件，并且這種可犧牲構(gòu)件在破壞或具有較大的殘余變形后，還可以被替換，使結(jié)構(gòu)恢復(fù)到震前的狀態(tài)。圖1為蹺動結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2 BRC結(jié)構(gòu)模型的建立

本文對BRC蹺動結(jié)構(gòu)采用桿系模型，即采用梁單元模擬框架梁、柱。由于蹺動結(jié)構(gòu)的塑性變形主要集中在蹺動發(fā)生處，對于上部結(jié)構(gòu)，假設(shè)全部處于彈性狀態(tài)。BRC主要承受軸力，與支撐的受力方式接近，可以采用SAP2000中的纖維鉸模型:在支撐截面的面積上，將截面劃分為若干等分，每一個區(qū)域都用一個纖維表示(圖2)，纖維設(shè)置在劃分區(qū)域的幾何中心，面積與劃分區(qū)域相等。

本文用兩個單元分別模擬重力柱和BRC。建模時，在同一幾何位置建立兩個單元，一個定義為BRC，兩端采用鉸接，另一個定義為重力柱，柱底設(shè)置多線性支座，如圖3所示。

2 結(jié)構(gòu)模型

2.1 基本數(shù)據(jù)

選取一個12層的純鋼框架結(jié)構(gòu)，建筑總高度36.3 m，共12層，首層層高3.3 m，2 ～12層層高 3 m，室內(nèi)外高差為0.3 m，結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖4。主要構(gòu)件見表1。

表1主要構(gòu)件表Tab.1 Main components

2.2 方案布置

方案1:12層純框架鋼結(jié)構(gòu)體系，為未控結(jié)構(gòu);方案2:以方案1為原型，在原結(jié)構(gòu)的底層柱上的X方向設(shè)置BRC支撐;方案3:在原結(jié)構(gòu)的底層柱上設(shè)置Y方向的BRC支撐。

本文選取三個地震記錄典型的Ⅱ、Ⅲ類場地上的地震記錄(EL－Centro波和Taft波)以及對結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大的IV類場地的TRI_TREASURE ISLAND_90波進行分析，其中EL－Centro波峰值為341.7 cm/s，Taft 波峰值為 152.7 cm/s，TRI_TREASUREISLAND_90峰值為155 cm/s。

3 計算結(jié)果分析

3.1 動力特性分析

本例采取模態(tài)分析里的Ritz向量法。由模態(tài)分析，整理方案前6階模態(tài)的自振周期，結(jié)果見表2。由表2知，方案2、方案3比方案1的自振周期有一定的增大，但增大幅度并不是特別明顯。雖然屈曲約束柱也會使結(jié)構(gòu)的剛度有所增加，但BRC減震結(jié)構(gòu)主要是通過結(jié)構(gòu)蹺動消耗地震能，所以一定會比原結(jié)構(gòu)的自振周期有所增大。

表2前6階模態(tài)的自振周期Tab.2 The natural vibration period of anterior 6 step modal

3.2 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

3.2.1頂層最大位移和基底剪力

由于方案2、方案3的區(qū)別在于底層屈曲柱分別安置在原結(jié)構(gòu)底層的X方向和Y方向，因此，本文通過軟件的模擬讓EL－Centro波、Taft波和TRI_TREASUREISLAND_90分別從X方向、Y方向這兩種情況下通過三種結(jié)構(gòu)方案，得到的地震響應(yīng)分析的數(shù)據(jù)如下:

表3從橫向通過地震波的基底剪力和頂層最大位移(X方向)Tab.3 The base shear and top of the maximum displacement when transverse seismic go through structure(X direction)

表4從橫向通過地震波的基底剪力和頂層最大位移(Y方向)Tab.4 The base shear and top of the maximum displacement when transverse seismic go through structure(Y direction)

表5從縱向通過地震波的基底剪力和頂層最大位移(X方向)Tab.5 The base shear and top of the maximum displacement when longitudinal seismicgo through structure(X direction)

表6從縱向通過地震波的基底剪力和頂層最大位移(Y方向)Tab.6 The base shear and top of the maximum displacement when longitudinal seismic go through structure(Y direction)

情況一:當(dāng)?shù)卣鸩M向通過時，由表3和表4中的數(shù)據(jù)可知，在X方向，方案2、3的基底剪力和頂層最大位移和普通結(jié)構(gòu)相差不大。而在Y方向，方案 2在 TAFT波、EL－Centro波和 TRI_TREASUREISL_90波作用下基底剪力的控制效果分別為91.9%、92.9%和90.9%，頂層最大位移的控制效果則分別為36.3%、34.6%和6.6%;方案3基底剪力的控制效果為96.3%、96%和92.2%，頂層最大位移的控制效果明顯。這表明，當(dāng)?shù)卣鸩◤臋M向通過結(jié)構(gòu)時，在結(jié)構(gòu)X方向安裝BRC對地震有很好的控制作用，在Y方向安裝BRC對基底剪力有很好的控制效果，而頂層位移的控制效果則與普通結(jié)構(gòu)無太大區(qū)別。

情況二:對于從縱向通過的地震波，由表5和表6中的數(shù)據(jù)可知，在X方向，方案2在TAFT波、EL－Centro波和TRI_TREASUREISL_90波作用下基底剪力的控制效果分別為92.9%、92.8%和91.3%，頂層最大位移的控制效果與原結(jié)構(gòu)相差無幾;方案3在三種波的作用下基地剪力的控制效果為91%、91.5%和92%，頂層最大位移的控制效果為26.5%、35.4%和33.1%。而在Y方向，方案2的減震效果并不明顯;方案3基底剪力控制效果為17.4%、26.4%和30.6%，頂層最大位移控制效果與普通結(jié)構(gòu)無異。這表明，當(dāng)?shù)卣鸩v向通過時，在結(jié)構(gòu)X方向安裝BRC可以起到一定的減震效果，而在Y方向安裝BRC結(jié)構(gòu)的減震效果非常明顯。

綜合以上兩種情況，當(dāng)?shù)卣鸩◤慕Y(jié)構(gòu)縱向通過結(jié)構(gòu)時，是最理想的應(yīng)用BRC結(jié)構(gòu)的條件;當(dāng)?shù)卣鸩M向通過結(jié)構(gòu)，也可以通過安裝BRC對結(jié)構(gòu)起到減震作用。

3.2.2頂層絕對加速度時程曲線比較

為了更好的比較三種布置BRC的方案，下面給出布置BRC的方案與未控結(jié)構(gòu)的頂層絕對加速度時程曲線圖，這里只討論在縱向地震波作用下的三種方案頂層絕對加速的的時程曲線比較。結(jié)構(gòu)的頂層最大加速度見下表9。由表中的數(shù)據(jù)得知，在Taft波的作用下方案2使結(jié)構(gòu)的頂層最大加速度比原結(jié)構(gòu)降低了 67.2%，方案 3為59.8%;在EL－Centro波的作用下，方案2比原結(jié)構(gòu)的頂層最大加速度降低69.2%，方案3降低48.0%。在TRI_TREASUREISLAND_90波的作用下，方案2的頂層最大加速度比原結(jié)構(gòu)減少了27.0%，方案3 減少了8.3%。

表7縱向地震波作用下的頂層最大絕對加速度Tab.7 The top of the maximum absolute acceleration under the action of vertical seismic wave m/s2

結(jié)合頂層絕對加速度的對比圖(圖5～7)，不難看出在Taft地震波從縱向通過結(jié)構(gòu)時，方案2對結(jié)構(gòu)的頂層最大加速度控制效果最好;在ELCentro波從縱向通過結(jié)構(gòu)時，方案3對頂層最大加速的的控制效果好;而在TRI_TREASUREISLAND_90波作用下結(jié)構(gòu)的頂層最大加速度控制作用不明顯。

4 結(jié)論

1)BRC結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)的自振周期有所增加。

2)通過三種結(jié)構(gòu)在三種地震波下的地震響應(yīng)分析，BRC結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的鋼框架結(jié)構(gòu)在減小地震能方面有顯著優(yōu)勢，但對BRC在底層柱的布置方向存在著一定要求。

3)若結(jié)構(gòu)任意方向布置BRC，地震波沿結(jié)構(gòu)平面邊長較短的一面?zhèn)鱽頃r的減震效果優(yōu)于沿結(jié)構(gòu)平面邊長較長的方向傳播的地震波;若地震波的方向未知，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，盡量把BRC布置在底層柱數(shù)目多的方向;能夠使BRC結(jié)構(gòu)減震最大化的情況是，BRC沿結(jié)構(gòu)底層柱數(shù)目多的方向布置，而地震波方向垂直于BRC布置方向傳播。

［1］譚燕秋，甄曉慧，史三元.雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在BRB作用下的減震分析［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，30(1):57－62.

［2］石懷榮，胡 娟.叉車減震墊檢測機構(gòu)動力學(xué)性能優(yōu)化的設(shè)計研究［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報，2011，32(4):54－57.

［3］劉建彬.防屈曲支撐及防屈曲支撐鋼框架設(shè)計理論研究［D］.北京:清華大學(xué)，2005.

［4］郭彥林，劉建彬，蔡益燕，等.結(jié)構(gòu)的耗能減震與防屈曲支撐［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2005，35(8):18－23.

［5］孫飛飛，曹 鵠.自回復(fù)蹺動減震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析［J］.土木工程學(xué)報，2011，43:413－422.

［6］楊芳，孫飛飛.重力對屈曲約束柱蹺動減震技術(shù)的影響［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2011，4(13):57－64.