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防屈曲支撐在高層鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

2018-09-12 11:17:08林純
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2018年22期
關(guān)鍵詞:角柱子結(jié)構(gòu)屈曲

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).

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[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.

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[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.

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