范夕森,田廷磊
(1.山東建筑大學土木工程學院,山東濟南250101;2.山東銘遠工程設(shè)計咨詢有限公司,山東濟南250022)
單跨框架結(jié)構(gòu)的減震加固技術(shù)研究
范夕森1,田廷磊2
(1.山東建筑大學土木工程學院,山東濟南250101;2.山東銘遠工程設(shè)計咨詢有限公司,山東濟南250022)
單跨框架結(jié)構(gòu)的減震加固技術(shù)對于提高原框架結(jié)構(gòu)的抗震性能、減小加固工程量和降低施工復雜性具有重要意義。文章通過設(shè)置防屈曲支撐(BRB)使單跨結(jié)構(gòu)改變?yōu)榭蚣堋哪苤螠p震結(jié)構(gòu),從而減小原框架承擔的地震效應(yīng)的研究,闡明了單跨框架結(jié)構(gòu)減震加固的基本原理,提出了耗能減震加固設(shè)計的準則,并對減震加固的工程實例進行了分析。結(jié)果表明:減震加固后,小震作用下的層間位移和由框架柱承擔的地震剪力為加固前的30%~40%,罕遇地震作用下為25%~45%;BRB率先進入塑性變形,是整個結(jié)構(gòu)的第一道地震防線;單跨框架結(jié)構(gòu)采用BRB做減震加固,可有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。
結(jié)構(gòu)抗震加固;減震技術(shù);單跨框架結(jié)構(gòu);防屈曲支撐;加固效果
許多中小學教學樓和辦公樓,出于建筑功能的要求,橫向采用單跨帶外廊式形式,結(jié)構(gòu)屬于橫向單跨框架結(jié)構(gòu)(縱向多跨)。這種結(jié)構(gòu)橫向剛度小,大震時層間位移大,容易造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。更重要的是它的超靜定次數(shù)少,不符合多道地震防線的要求。歷次震害調(diào)查中,都有不少單跨框結(jié)構(gòu)嚴重破壞的例子[1-2]。我國現(xiàn)行抗震規(guī)范就有乙類建筑以及高度大于24 m的丙類建筑,不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)的規(guī)定[3]。汶川地震后,我國把中小學校舍的抗震設(shè)防類別由一般設(shè)防調(diào)整為不低于重點設(shè)防[4],設(shè)防類別從丙類提高為乙類,政府要求對那些不符合抗震設(shè)防要求的校舍進行抗震加固,單跨框架結(jié)構(gòu)是其中的典型。
單跨框架結(jié)構(gòu)進行抗震加固,傳統(tǒng)的做法主要有三種方案:(1)在外廊懸挑端加設(shè)框架柱,使之改變?yōu)槎嗫缈蚣?;?)在某些軸線上增設(shè)抗震墻,或是將某些填充墻進行加固處理,將單跨框架改為框架—抗震墻結(jié)構(gòu);(3)在框架之間加設(shè)鋼支撐,形成框架—支撐結(jié)構(gòu)。
文獻[5]分析了單跨框架結(jié)構(gòu)的教學樓改為雙跨框架結(jié)構(gòu)的加固效果,提出新增抗側(cè)剛度與原抗側(cè)剛度的比值為26%~50%之間時較為有效。文獻[6]研究了設(shè)置翼墻加固的方法,其一字型翼墻只對一個方向有效,對另一方向不利,T字形翼墻在縱橫兩個方向的加固效果良好。文獻[7]研究了加設(shè)鋼支撐的加固方法,在某些軸線上加設(shè)支撐,結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度提高,樓層的地震作用加大,但支撐所在框架的剛度明顯比其它軸線大,將承擔更多的地震剪力,未加支撐的框架所承擔的地震剪力減小。
傳統(tǒng)的加固方法能夠增加結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度,提高抗震承載力,增加了結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)。但傳統(tǒng)的加固方法也存在一些問題:加設(shè)框架柱或抗震墻,結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度增加,地震作用也相應(yīng)增加,所以要控制合適的新增剛度,否則加固方案不一定有效;增設(shè)結(jié)構(gòu)柱,會改變建筑物的立面效果,將懸挑梁改為框架梁,加固工程量也是比較大的;加設(shè)普通鋼支撐,與支撐相連的構(gòu)件受沖擊作用,可能需要特別的加固。如果單跨框架結(jié)構(gòu)選擇適當?shù)膸组鲈O(shè)耗能支撐體系,大震作用時,通過支撐的變形和阻尼耗能地震能量,主體框架的地震反應(yīng)明顯減小,這種方法稱為減震加固。減震加固不僅提高原框架結(jié)構(gòu)的抗震性能,而且加固工程量和施工復雜性大幅度減小。
減震加固是在既有的結(jié)構(gòu)體系上增設(shè)耗能減振裝置,使其改變?yōu)楹哪軠p震結(jié)構(gòu)。耗能減振結(jié)構(gòu)在地震作用下彈性振動的運動方程由式(1)表示為
式中:M、C、K分別為原結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣;Cd和Kd分別為耗能器給結(jié)構(gòu)附加的阻尼矩陣和剛度矩陣;X為減震結(jié)構(gòu)各質(zhì)點的位移向量,m;X¨g(t)為地面運動加速度,m/s2。設(shè)置減振耗能裝置,主要用于增加結(jié)構(gòu)的阻尼。地震時,耗能裝置通過自身的變形和阻尼耗散能量,從而減輕主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和損傷,“間接”提高建筑物抗震性能[8]。耗能減振裝置主要有被動耗能器或調(diào)諧阻尼器兩類,耗能器主要有粘滯、粘彈、金屬屈服和摩擦等四種類型,前兩類與速度有關(guān),稱為速度相關(guān)型,后兩類的恢復力具有滯變特性,稱為滯變型,調(diào)諧阻尼器主要包括調(diào)諧質(zhì)量和調(diào)諧液體兩類。
防屈曲支撐BRB(buckling-restrained brace)是特殊的耗能減震構(gòu)件,其恢復力曲線如圖1所示,計算時可以近似地描述成雙線性模型[8-10]。BRB的特殊性在于受拉與受壓時均能達到屈服而不發(fā)生屈曲,因此它既可以作為結(jié)構(gòu)的水平抗側(cè)力構(gòu)件,提高抗側(cè)剛度和水平承載力,又可以作為主要耗能構(gòu)件,耗散地震能量,保護主體結(jié)構(gòu)[11]。
研究表明,結(jié)構(gòu)高度越高、跨度越大、變形越大、設(shè)防烈度越高,耗能減震效果越明顯[12-15]。對于高烈度區(qū)的大跨度高層鋼結(jié)構(gòu),設(shè)置耗能支撐可明顯改善其抗震性能。低烈度區(qū)的多層建筑常采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),設(shè)置普通支撐可以增加剛度,提高承載力和減小位移。當為混凝土支撐時,構(gòu)件易開裂;為普通鋼支撐時,構(gòu)件宜失穩(wěn)。設(shè)置防屈曲支撐不僅可以提高抗震承載力,還有利于控制構(gòu)件早期裂縫的產(chǎn)生。將防屈曲支撐鋼框架嵌入既有的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中,可以導引結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布,使其向有利于發(fā)揮結(jié)構(gòu)延性,減少損傷的方向發(fā)展,BRB的塑性變形,改善了結(jié)構(gòu)的的破壞模式,提高了整體抗震性能[16]。
圖1 BRB的恢復力曲線及簡化恢復力模型圖(a)BRB恢復力曲線;(b)BRB簡化恢復力模型
單跨框架進行減震加固后,增設(shè)BRB的框架,因為抗側(cè)剛度提高,承擔了更多的地震剪力,其他位置的框架承擔的地震剪力就會減小。而增設(shè)BRB的框架,在小震作用下,BRB和原框架處于彈性狀態(tài),結(jié)構(gòu)的承載力和變形均滿足正常使用要求;大震作用下,支撐率先進入非彈性狀態(tài),產(chǎn)生較大阻尼,吸收和耗散大量的地震能量,由框架承擔的地震剪力也會明顯減小。所以,設(shè)置BRB可以提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。
2.1 單跨框架結(jié)構(gòu)減震加固設(shè)計準則
結(jié)構(gòu)采取耗能減震加固方法時,首先要進行抗震性能評估,確定原結(jié)構(gòu)的不足和加固后的設(shè)防目標。若原有混凝土框架本身不滿足抗震要求,設(shè)置BRB可以使結(jié)構(gòu)滿足抗震要求的前提下,提高抗震性能和降低工程造價;若結(jié)構(gòu)已滿足抗震要求,設(shè)置BRB可以提高抗震設(shè)防標準和結(jié)構(gòu)的可靠度。常用的設(shè)防目標是在多遇地震作用下主體結(jié)構(gòu)和加固框架處于彈性狀態(tài);設(shè)防烈度下防屈曲支撐消耗地震能量,主體結(jié)構(gòu)可開裂但不屈服;罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)不倒塌[13]。
單跨框架結(jié)構(gòu)的中小學校舍,除了設(shè)計結(jié)構(gòu)體系上的缺陷外,規(guī)范要求按高于設(shè)防烈度1度采取抗震措施,也就是框架的抗震等級大約提高一級,傳統(tǒng)的構(gòu)件補強方法,工程量是十分龐大的,不易實現(xiàn)。設(shè)置BRB進行減震加固后,如果輸入高于設(shè)防烈度1度的地震動引起的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng),與加固前輸入相當于設(shè)防烈度的地震動引起的地震反應(yīng)接近,甚至更小,那么可以認為,如果原建筑物經(jīng)過正規(guī)設(shè)計和施工,留有一定安全余量的話,采用減震加固后,大部分提高1度的構(gòu)造要求基本都可以滿足,僅對角柱做必要的處理即可。這可以作為單跨框架結(jié)構(gòu)中小學校舍減震加固設(shè)計的一個準則。
2.2 單跨框架結(jié)構(gòu)減震加固設(shè)計方法
加固后的框架—耗能支撐結(jié)構(gòu),地震作用和地震反應(yīng)分析可按結(jié)構(gòu)的實際情況分別采用底部剪力法、陣型分解反應(yīng)譜法或時程分析法。其關(guān)鍵是計算過程中要合理地考慮BRB的阻尼、剛度或恢復力模型。采用底部剪力法或陣型分解反應(yīng)譜法時,確定結(jié)構(gòu)自振周期和振型所需要的結(jié)構(gòu)總剛度應(yīng)考慮原框架剛度和BRB的剛度之和,振型阻尼比應(yīng)取原框架的振型阻尼比和BRB的附加振型阻尼比之和。采用時程分析法時,在多遇烈度下的彈性地震反應(yīng)分析,BRB可采用等效線性化計算模型,在罕遇烈度下的彈塑性地震反應(yīng)分析,BRB的應(yīng)直接采用滯變恢復力模型。
小震作用下,BRB的工作狀態(tài)可分為:(1)原框架和BRB都處于彈性階段,不考慮BRB的耗能,此時BRB作用與普通支撐相似結(jié)構(gòu),可用底部剪力法和振型分解反應(yīng)譜法計算;(2)原結(jié)構(gòu)處于彈性階段,BRB進入屈服耗能階段,可采用等價線性的振型分解反應(yīng)譜法計算。大震作用下,BRB處于屈服耗能階段,通過滯回變形耗散能量,但仍能提供抗側(cè)剛度,本階段的計算采用時程分析法。
單跨混凝土框架結(jié)構(gòu)減震加固設(shè)計的流程為:(1)評估原結(jié)構(gòu)的抗震性能,確定加固后的設(shè)防目標;(2)確定BRB布置方案。平面上要均勻?qū)ΨQ,盡量使整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心重合或偏心較小,立面上要避免形成局部突變或形成薄弱層;(3)確定BRB的工作狀態(tài),初步選擇BRB的截面;(4)計算加固前后結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),分析結(jié)構(gòu)加固后抗震性能是否滿足設(shè)防目標,如果不滿足設(shè)防目標,調(diào)整BRB的設(shè)置,重復第(3)和(4)。
3.1 工程概況
某框架結(jié)構(gòu)實驗樓,四層,橫向單跨框架帶懸挑走廊,層高3.6 m,建筑平面如圖2所示。抗震設(shè)防烈度6度,地震分組為第二組,框架柱截面400 mm ×400 mm,梁截面250 mm×550 mm,混凝土強度等級C30。按提高一度考慮抗震措施,評估發(fā)現(xiàn),框架的抗震等級由四級提高為三級,某些樓層層間位移角接近規(guī)范的限值,必須進行抗震加固。根據(jù)初步估算,在②軸和⑧軸的A-B跨內(nèi),一至四層連續(xù)布置人字形BRB(等效截面積1600 mm2)。
圖2 教學實驗樓建筑平面圖/mm
用SAP2000軟件,對結(jié)構(gòu)進行動力分析和地震反應(yīng)計算。建模時,梁柱采用框架單元,板采用薄殼單元。BRB采用連接單元模擬,線性分析時,僅考慮結(jié)構(gòu)和支撐的線性屬性,取有效剛度為329600 kN,有效阻尼為0;非線性分析時,要考慮結(jié)構(gòu)和支撐的塑性屬性,取彈性剛度為329600 kN,屈服剛度Fy取 376 kN,屈服剛度比取0.2,屈服指數(shù)取2,加固后的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。
圖3 加固后結(jié)構(gòu)模型圖
運行模態(tài)分析,減震加固前后的各前三個振型見表1。其中,Ux、Uy、Uz分別表示沿結(jié)構(gòu)縱向、橫向以及豎向平動振動的質(zhì)量參與系數(shù);Rx、Ry、Rz分別表示繞結(jié)構(gòu)縱向、橫向以及豎向扭轉(zhuǎn)振動的質(zhì)量參與系數(shù)。由表1可以看出,加固后,結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度增加,周期減小,而且結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)有所改變,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)減小。
3.2 地震反應(yīng)計算
按提高一度的地震動參數(shù)進行地震輸入(7度0.10 g),用時程分析法分別計算計算多遇烈度和罕遇烈度下結(jié)構(gòu)的橫向地震反應(yīng)。選取El centro波、Taft波和一條人工地震波,計算多遇地震時,加速度峰值取35m/s2,計算得到的各樓層地震剪力最大值見表2(三條波分別計算的底部剪力及它們的平均值,均不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%和80%),層間位移角見表3,加固前后樓層地震剪力和層間位移角的對比如圖4所示。
表1 減震加固前后振型與質(zhì)量參與系數(shù)
表2 多遇地震下結(jié)構(gòu)橫向樓層地震剪力/kN
表3 多遇地震下結(jié)構(gòu)橫向?qū)娱g位移角
由表2、3和圖4可知,加固后多遇地震,雖然結(jié)構(gòu)的地震剪力有所增大,但由柱承擔的地震剪力明顯減小,其值不到加固前的40%,層間位移角的最大值出現(xiàn)在第二層,僅為加固前的30%,而且各樓層位移角趨于均勻。
圖4 加固前后結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)圖(多遇地震)(a)各樓層水平地震剪力;(b)各樓層層間位移角
計算罕遇地震反應(yīng)時,加速度峰值取220m/s2,計算得到的各樓層地震剪力最大值見表4,層間位移角見表5。加固前后樓層地震剪力和層間位移角的對比如圖5所示。
表4 罕遇地震下結(jié)構(gòu)橫向樓層地震剪力/kN
表5 罕遇地震下結(jié)構(gòu)橫向?qū)娱g位移角
圖5 加固前后結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)圖(罕遇地震)(a)各樓層水平地震剪力;(b)層間位移角
由表4、5和圖5可以發(fā)現(xiàn),罕遇地震下,一層由框架柱承擔的地震剪力為加固前的45%,其余各層不足20%,而層間位移角為加固前的40%以下,各樓層趨于均勻。
3.3 防屈曲支撐的滯回曲線
在多遇地震和罕遇地震下,防屈曲支撐發(fā)揮的功能是不一樣的,這可以從它們的水平力—位移滯回曲線反映出來。限于篇幅,文中僅列出輸入Elcentro波,第一層BRB的水平力—位移滯回曲線(如圖6所示)。
由圖6可以看出,在多遇地震下,滯回曲線接近于直線,BRB基本不發(fā)揮耗能能力,它的作用與普通鋼支撐類似,即增加結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度,幫助框架柱承擔水平地震剪力。在罕遇地震下,滯回曲線飽滿,BRB不僅可以幫助原框架柱承擔水平地震剪力,而且能夠起到耗能作用。
3.4 減震加固效果分析
按照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的算法,抗震設(shè)防烈度每提高1度,結(jié)構(gòu)所受的水平地震作用增加一倍[3]。算例中,工程抗震設(shè)防烈度為6度,采用BRB減震加固后,輸入相應(yīng)于7度的地震動參數(shù),原框架柱承擔的地震剪力不到加固前的45%,小于6度的地震動引起的地震效應(yīng)。加固前,彈性層間位移角和彈塑性層間位移角最大值分別為1/599和1/97,接近于規(guī)范限值1/550和1/50;加固后,彈性層間位移角和彈塑性層間位移角顯著減小,最大值分別為1/1975和1/414,并且各層趨于均勻。此外,同傳統(tǒng)抗震加固相比,減震加固的工程量和施工難度大大降低,造價和工期都可以大幅度縮減。
對加固前的單跨框架結(jié)構(gòu)和加固后的框架—耗能支撐結(jié)構(gòu)進行靜力彈塑性分析(Push-over),水平荷載按照7度罕遇地震對應(yīng)的參數(shù)。結(jié)果表明,單跨框架結(jié)構(gòu)在推覆分析過程中,基底剪力達到1469kN時,一層梁柱端分別出現(xiàn)塑性鉸;框架—耗能支撐結(jié)構(gòu)推覆分析過程中基底剪力達到2579 kN,一層梁端出現(xiàn)才塑性鉸,而BRB早在基底剪力達到1657 kN時就進入塑性變形階段。所以減震加固后,BRB成為結(jié)構(gòu)的第一道地震防線,對主體框架起到保護作用。
圖6 El.波作用下防屈曲支撐的滯回曲線圖(a)多遇地震一層滯回曲線;(b)罕遇地震一層滯回曲線
通過上述研究可知:
(1)既有單跨框架結(jié)構(gòu)中小學校舍采用BRB進行減震加固時,設(shè)計準則為如果輸入高于設(shè)防烈度一度的地震動引起的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng),與加固前輸入相當于設(shè)防烈度的地震動引起的地震反應(yīng)接近,甚至更小,那么大部分構(gòu)件能夠滿足提高1度采取抗震措施的要求,可不進行額外加固。
(2)算例表明,采用BRB做減震加固后,多遇地震下,由原框架承擔的地震剪力和結(jié)構(gòu)的層間位移角僅為加固前的30%~40%,罕遇地震下為25%~45%;結(jié)構(gòu)體系改變?yōu)榭蚣堋哪苤谓Y(jié)構(gòu),BRB成為第一道地震防線,克服了單跨框架結(jié)構(gòu)冗余度不足的缺陷,可有效提高結(jié)構(gòu)抗震性能。
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(學科責編:吳芹)
Research on energy dissipation technology in seism ic strengthening of single-span frame structures
Fan Xisen1,Tian Tinglei2
(1.School of Civil Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China;2.Shandong Mingyuan Engineering Design Inquire Co.,Ltd.,Jinan 250022,China)
Energy dissipation technology in seismic strengthening of single-span frame structures has important implications for improving their seismic performance and reducing the quantities and the complexity of construction.Being installed some Buckling Restrained Braces(BRB),a single-span frame structure could be changed to a frame-energy dissipation brace structure,and the seismic effects carried by frame were reduced obviously.Based on such a research,this paper presented the basic principle and design guidelines for energy dissipation strengthening,and analyzed an example.The results show that,after strengthening,the inter-story shear forces carried by columns and the interstory drifts under frequent earthquakes are reduced to less than 40%,whereas those under severe earthquakes are reduced to less than 45%;BRB takes a lead in entering the plastic deformation and plays a roll of the first seismic line;Strengthened with BRB,the seismic performance of the singlespan frame structure is effectively improved.
structural seismic strengthening;energy dissipation technology;single-span frame structure;Buckling Restrained Brace;strengthening effect
TU375.4
A
1673-7644(2015)02-0116-07
2014-11-10
住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部研究開發(fā)項目(2013-K2-8);山東省抗震專項項目
范夕森(1971-),男,副教授,博士,主要從事工程抗震及建筑物加固改造等方面的研究.E-mail:fanxisen@sdjzu.edu.cn