林純

摘 要：簡要介紹數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法，并基于該方法對裝配防屈曲支撐的高層鋼結(jié)構(gòu)進行地震動力響應(yīng)分析，深入研究在地震損傷過程中防屈曲支撐構(gòu)件數(shù)量、位置對于結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的影響。

關(guān)鍵詞：數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法；防屈曲支撐；高層鋼結(jié)構(gòu)；地震動力響應(yīng)分析

中圖分類號：TU973+.13 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0034-04

Abstract： The numerical substructure method is briefly introduced， and based on this method， the seismic dynamic response of high-rise steel structures with buckling-restrained braces is analyzed. The influence of the number and position of anti-buckling braces on the overall response of structures in the process of earthquake damage is studied in depth.

Keywords： numerical substructure method； buckling-restrained braces； high-rise steel structure； seismic dynamic response analysis

引言

實際工程中經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)在荷載作用下，僅局部區(qū)域進入非線性甚至強度破壞而其余區(qū)域仍處于彈性或小變形狀態(tài)，整體非線性效應(yīng)不可被忽略，上述屬于局部非線性系統(tǒng)。隨著我國對大型土木工程的需求持續(xù)增加及結(jié)構(gòu)類型、構(gòu)件和材料復(fù)雜化，此類現(xiàn)象日益突出?，F(xiàn)諸多學(xué)者針對局部非線性系統(tǒng)的響應(yīng)分析進行深入研究并提出響應(yīng)計算方法。新型數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法利用大規(guī)模結(jié)構(gòu)局部非線性特征，又考慮結(jié)構(gòu)地震損傷和破壞全過程中局部損傷部位和演化路徑的不可預(yù)知性，兼顧計算精度和效率，與其他方法相比具有一定的優(yōu)越性[1]。

防屈曲支撐（BRB）是一種新型支撐形式，能有效防止支撐在受壓條件下的屈曲，具有良好的延性及耗能性能。目前BRB構(gòu)件作為消能減震構(gòu)件廣泛用于高層建筑結(jié)構(gòu)中。BRB構(gòu)件在小地震下處于線彈性狀態(tài)；而在中震及大震下，核心單元屈服進入塑性，具有金屬阻尼器的耗能能力，從而使得主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性范圍內(nèi)。由于BRB構(gòu)件能夠全面提升傳統(tǒng)支撐在中震和大震下的抗震性能，故目前作為消能減震構(gòu)件被廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)中[2-3]，并在高層建筑結(jié)構(gòu)中加以利用[4]。由于防屈曲支撐構(gòu)件的重要性，將數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法拓展至裝配BRB構(gòu)件高層建筑結(jié)構(gòu)的非線性動力分析是非常必要的。BRB構(gòu)件雖然概念簡單明確，但工作機理較為復(fù)雜[5]，須對其深入分析BRB構(gòu)件耗能機理等。

本文基于數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法對裝配防屈曲支撐的高層鋼結(jié)構(gòu)進行地震動力響應(yīng)分析，深入研究在地震損傷過程中防屈曲支撐構(gòu)件數(shù)量、位置對結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的影響。

1 數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法

數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法采用非精細(xì)化主結(jié)構(gòu)模型對整體結(jié)構(gòu)進行模擬并用線彈性有限元分析。同時建立精細(xì)化的隔離子結(jié)構(gòu)對進入非線性狀態(tài)的構(gòu)件進行精確高效模擬。主、子結(jié)構(gòu)間通過“非線性修正力”建立邊界位移和力平衡方程并用Client-Server（CS）技術(shù)進行模擬。數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法具體計算流程如圖1所示。

本文將防屈曲支撐構(gòu)件作為關(guān)鍵構(gòu)件，直接對其隔離并建立精細(xì)化模型，無需進行塑性判斷。

2 裝配防屈曲支撐的高層鋼結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化設(shè)計

本文以一原裝配鋼支撐高層鋼框架結(jié)構(gòu)核心筒模型為研究對象進行分析，探討防屈曲支撐數(shù)量、位置對于結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的影響，模型如圖2所示。

2.1 防屈曲支撐模型參數(shù)的選取

模型中采用的防屈曲支撐力學(xué)模型由Zona等開發(fā)，該模型滯回關(guān)系簡單，參數(shù)意義明確，可精確模擬BRB力學(xué)行為[6]。BRB模型的內(nèi)部參數(shù)值見表1。其中E0為彈性模量， 為初始屈服應(yīng)力， 為拉伸條件下的極限應(yīng)力， 為壓縮條件下的極限應(yīng)力， 為彈性至塑性過渡形狀控制參數(shù)， 為硬化模量， 為硬化率。

2.2 五種不同設(shè)計方案

在原模型基礎(chǔ)上設(shè)計五種不同防屈曲支撐替換率的方案進行對比分析，如圖3所示。方案一為原模型，即所有支撐均為鋼支撐；方案二將結(jié)構(gòu)1～8層鋼支撐替換為BRB構(gòu)件，替換率為25%；方案三將結(jié)構(gòu)1～16層鋼支撐替換為BRB構(gòu)件，替換率為50%；方案四將結(jié)構(gòu)1～24層鋼支撐替換為BRB構(gòu)件，替換率為75%；方案五將結(jié)構(gòu)所有鋼支撐均替換為BRB構(gòu)件，替換率為100%。

2.3 高層鋼結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)比較分析

算例中分別采用非迭代數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法及常規(guī)建模方法計算結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)，采用Taft地震波對結(jié)構(gòu)進行動力響應(yīng)分析，地震波時間步長為0.01s，總時長為20s，如圖4所示。

圖5、圖6分別為五種方案的模型在Taft地震波作用下外框架角柱A及內(nèi)核心筒角柱B的層間位移包絡(luò)圖。規(guī)范[7]中規(guī)定地震作用下鋼結(jié)構(gòu)最大層間位移角限值為1/250，結(jié)合圖可得五種方案在地震作用下的最大層間位移角為1/270，符合設(shè)計規(guī)范。如圖所示，結(jié)構(gòu)在未布置任何BRB構(gòu)件情況下層間位移角最大。結(jié)構(gòu)的最大層間位移角隨著BRB構(gòu)件的替換率增大而逐漸減小。在替換率達到50%，即結(jié)構(gòu)1～16層均為BRB構(gòu)件情況下結(jié)構(gòu)最大層間位移角發(fā)生明顯變化。替換率超過50%之后，結(jié)構(gòu)最大層間位移角的下降趨勢較不顯著。通過五種方案的對比，可得到防屈曲支撐構(gòu)件與普通鋼支撐相比具有較好的耗能性能。此外，當(dāng)對普通鋼支撐替換率為50%時，結(jié)構(gòu)抗震性能得到顯著提升。當(dāng)替換率為75%時，結(jié)構(gòu)抗震性能與全裝配防屈曲支撐構(gòu)件相比基本相同。

圖7、圖8分別為五種方案的模型在Taft地震波作用下外框架角柱及內(nèi)核心筒角柱各樓層剪力變化圖。如圖所示，樓層剪力隨層高的增加而逐漸減小，但當(dāng)達到一定層高，減小趨勢變得緩慢。結(jié)構(gòu)在未布置任何BRB構(gòu)件情況下剪力值最大，剪力值隨著BRB構(gòu)件的替換率增大而逐漸減小。內(nèi)核心筒角柱剪力變化比外框架角柱剪力變化明顯，主要原因為BRB構(gòu)件布置于核心筒區(qū)域，所以對該區(qū)域作用最為明顯。在替換率達到50%時，即結(jié)構(gòu)1～16層均為BRB構(gòu)件情況下，結(jié)構(gòu)最大剪力發(fā)生明顯變化。通過五種方案的對比，可得防屈曲支撐構(gòu)件具有較好的耗能性能。此外，當(dāng)對普通鋼支撐替換率為50%時，結(jié)構(gòu)抗震性能得到顯著提升。當(dāng)替換率為75%時，結(jié)構(gòu)抗震性能與全裝配防屈曲支撐構(gòu)件相比基本相同。

3 結(jié)束語

本文通過數(shù)值子結(jié)構(gòu)方法對裝配防屈曲支撐的高層鋼結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，并進一步研究防屈曲支撐構(gòu)件數(shù)量、位置等對結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的作用。對原結(jié)構(gòu)中的鋼支撐進行替換，提出五種不同替換率的方案。數(shù)值結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)在全裝配普通鋼支撐的情況下，層間位移角及剪力值均最大；而在全裝配防屈曲支撐的情況下，層間位移角及剪力值最小。防屈曲支撐在結(jié)構(gòu)底部能充分發(fā)揮耗能作用，故將結(jié)構(gòu)底部的普通鋼支撐換為防屈曲支撐能有效減小結(jié)構(gòu)的層間位移角及剪力值。五種方案的比較顯示，當(dāng)替換率達到50%時，即結(jié)構(gòu)底部1～16層的普通鋼支撐全替換為防屈曲支撐，結(jié)構(gòu)性能得到顯著改善；當(dāng)替換率為75%時，結(jié)構(gòu)性能已經(jīng)與全裝配防屈曲支撐的結(jié)構(gòu)性能基本一致。從而驗證BRB構(gòu)件的耗能性能優(yōu)于普通鋼支撐，且基于50%～75%范圍對結(jié)構(gòu)底部的普通鋼支撐進行替換時既能充分發(fā)揮防屈曲支撐的耗能作用也能使經(jīng)濟效益最大化。

參考文獻：

[1]Sun B， Gu Q， Zhang P， et al. A practical numerical substructure method for seismic nonlinear analysis of tall building structures[J]. The Structural Design of Tall and Special Buildings， 2017，26（16）.

[2]Sabelli R， Mahin S， Chang C. Seismic demands on steel braced frame buildings with buckling-restrained braces[J]. Engineering Structures， 2003，25（5）：655-666.

[3]郝曉燕，李宏男.裝有腹板式鋼制防屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)振動臺試驗及分析[J].振動與沖擊，2014，33（16）：130-134.

[4]Clough R W， Wilson E L. Dynamic analysis of large structural systems with local nonlinearities[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，1979，17：107-129.

[5]趙俊賢，吳斌，梅洋，等.防屈曲支撐的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵理論問題[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2010（S1）：93-100.

[6]Zona A， Dall'Asta A. Elastoplastic model for steel buckling-restrained braces[J]. Journal of Constructional Steel Research，2012，68（1）：118-125.

[7]GB50011-2001.建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.