蘇毅 鄒俊 王楓琦 孫珺

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 210037)

引言

隨著建筑結(jié)構(gòu)的功能復(fù)雜化, 在一個建筑中常存在多個大空間房屋, 從而會產(chǎn)生錯層、樓板大開洞、薄弱層、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯等問題。為了保證建筑在地震中的安全性, 采用BRB 減震是有效且經(jīng)濟(jì)的方法。工程實踐證明, 在新建結(jié)構(gòu)中設(shè)置BRB[1,2]可使其抗震耗能性能得到提高, 且在建筑抗震加固中[3], 施工方便, 價格便宜, 可以減少二次裝修。屈曲約束支撐的性能試驗分析[4-8]表明屈曲支撐可以提高建筑結(jié)構(gòu)的剛度,消耗地震能量。但普通BRB 變形能力小, 易應(yīng)力集中, 一旦進(jìn)入屈服階段, 可能就會面臨更換。通過對設(shè)置彎曲型BRB 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析, 彎曲型BRB 使用波形內(nèi)芯板代替普通約束屈曲支撐中一字形、十字形及H 形內(nèi)芯鋼板, 具有延性高、不易發(fā)生損壞的優(yōu)點。在強(qiáng)震作用下, 它能比普通屈曲約束支撐率先進(jìn)入耗能狀態(tài), 波形內(nèi)芯板受拉壓變形, 從而通過內(nèi)芯鋼板的屈服達(dá)到耗散地震輸入能量的目的, 有效避免主體結(jié)構(gòu)的損壞。本文以某中學(xué)綜合樓為例, 采用普通BRB 減小綜合樓部分樓層偏心率和扭轉(zhuǎn)位移偏大的問題, 提高結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力。在地震作用下變形大的第二層中增設(shè)彎曲型屈曲約束支撐, 改善第二、三層剛度差異較大的問題, 使結(jié)構(gòu)從底部往上形成剛度呈階梯型降低, 防止地震作用下薄弱層破壞集中發(fā)生, 提高結(jié)構(gòu)抗震能力。

1 工程概況

其中學(xué)綜合樓采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu), 總建筑面積為36660m2。地下1 層, 局部地下2 層,地上5 層, 其中地上裙房1 層。首層層高5.1m,其余層高4.2m。除辦公室、教室等常規(guī)房間外,建筑還有風(fēng)雨操場、報告廳、高中舞蹈教室及400 人活動教室。其中風(fēng)雨操場挑高層高為11.4m, 如圖1 所示。

圖1 綜合樓剖面示意Fig.1 Diagram of the comprehensive building section

建筑物功能復(fù)雜、特殊房間多, 存在以下問題:

(1)風(fēng)雨操場大空間使樓板開大洞, 其有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%, 且開洞面積大于該樓層樓面面積的30%。

(2)北側(cè)風(fēng)雨操場及報告廳的樓層標(biāo)高自8.300m 起與南側(cè)標(biāo)高錯開形成錯層結(jié)構(gòu), 且由于建筑物兩側(cè)層高不一致而形成穿層柱。

(3)建筑物的第二層和第三層的剛度相差很大, 存在薄弱層問題, 且存在其扭轉(zhuǎn)位移比及偏心率偏大的問題。

工程抗震設(shè)防類別為乙類, 地震烈度為8 度(0.2g), 設(shè)計地震分組為第三組, 場地類別為Ⅳ類, 特征周期為0.9s, 框架抗震等級二級, 基本風(fēng)壓為0.45kN/m2。Etabs 整體模型如圖2 所示。

圖2 計算模型簡圖Fig.2 Diagram of the model

2 減震設(shè)計方案

根據(jù)上述問題, 提出以下解決方案: (1)增加主體結(jié)構(gòu)耗散地震能量的能力, 保證薄弱層梁柱節(jié)點不易破壞; (2)設(shè)置BRB 使關(guān)鍵構(gòu)件滿足在中震、罕遇地震作用下抗彎抗剪等性能化要求; (3)增加結(jié)構(gòu)的延性。

針對上述風(fēng)雨操場等大空間使樓板開大洞問題, 采用加厚開洞口樓層樓板, 適當(dāng)加強(qiáng)其配筋, 提高其抗變形能力。風(fēng)雨操場的跨度為33.6m, 故其框架梁采用型鋼梁。對于錯層結(jié)構(gòu)及穿層柱問題, 增加結(jié)構(gòu)剛度、減少結(jié)構(gòu)位移,尤其中大震下位移減小可減輕錯層、穿層柱的不利影響。在抗震設(shè)計時計入“雙向地震作用”, 進(jìn)行結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和配筋設(shè)計時, 將樓板定義為彈性膜, 同時增加振型數(shù), 保證結(jié)構(gòu)有效質(zhì)量系數(shù)大于0.9。對于部分樓層扭轉(zhuǎn)位移比、偏心率偏大的問題, 增加普通屈曲約束支撐, 以減小偏心率和扭轉(zhuǎn)位移, 提高結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力。在第二層薄弱層增設(shè)彎曲型屈曲約束支撐, 改善第二、三層剛度差異較大的問題, 使結(jié)構(gòu)從底部往上形成剛度呈階梯型降低, 防止地震作用下薄弱層破壞集中發(fā)生, 提高結(jié)構(gòu)抗震能力。

2.1 彎曲型屈曲約束支撐

彎曲型約束屈曲支撐的構(gòu)造如圖3 所示,在受壓時, 內(nèi)芯鋼板的波浪在水平隔板處發(fā)生壓縮變形, 該波浪的上波峰和下波谷同時向相鄰的約束鋼板發(fā)生變形。隨著受壓位移的不斷增大, 波浪的上下波峰先后與約束鋼板發(fā)生接觸, 并受到約束鋼板的約束。從而彎曲的內(nèi)芯耗能板會在其他地方屈服, 故其隨變形加劇,屈服點亦隨之增多, 從而具有優(yōu)異的耗能能力。從彎曲型屈曲約束支撐滯回曲線來看, 滯回曲線很飽滿, 說明其耗能性能良好, 如圖4 所示。彎曲型BRB 僅設(shè)置于第二層, 與第三層剛度相比, 該層因開大洞剛度降低較多, 增設(shè)彎曲型BRB 后, 使第二層剛度大于第三層, 且從底往上, 形成剛度階梯變小。底層為面積較大的裙房, 剛度遠(yuǎn)大于第二層, 在強(qiáng)烈地震動下, 第二層會產(chǎn)生較大的層間位移。彎曲型BRB 變形能力強(qiáng), 耗能性能好。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到地震作用超過小震不多時, 通過設(shè)計可保證彎曲型BRB 先進(jìn)入耗能狀態(tài)。由于其耗能機(jī)制有別于普通BRB, 故在不特別大的位移下, 彎曲型BRB 可承受多次往復(fù)變形, 在偶爾受到超過小震的作用時無需即刻更換。此外, 其受到較大變形時也不會被拉斷后退出工作。

圖3 彎曲型屈曲支撐構(gòu)造Fig.3 Bending buckling bracing structure

圖4 彎曲型屈曲支撐滯回曲線Fig.4 Hysteresis curve of flexural buckling bracing

2.2 BRB 減震布置

除了上述的彎曲型BRB 外, 還在結(jié)構(gòu)中設(shè)置了剛度更大的普通型BRB, 以增加結(jié)構(gòu)剛度,減小結(jié)構(gòu)側(cè)移, 調(diào)節(jié)剛度中心位移, 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度, 使關(guān)鍵構(gòu)件在地震下滿足性能設(shè)計要求。考慮到建筑的使用功能, 并結(jié)合屈曲約束支撐的性能及特點, 該工程所用屈曲支撐方式采用一字撐和人字撐兩種形式,X向布置24個,Y向布置30個, 總共布置54個支撐, 共三種類型, BRB1 和BRB3 為普通支撐, BRB2 為彎曲型支撐。BRB 平面布置如圖5, 立面布置如圖6,BRB3 僅在第二層布置。具體參數(shù)見表1。

圖5 BRB 平面布置Fig.5 BRB Layout

圖6 BRB 立面布置Fig.6 BRB facade layout

表1 屈曲支撐BRB 參數(shù)Tab.1 BRB parameters of buckling bracing

2.3 減震后關(guān)鍵構(gòu)件的目標(biāo)

考慮到結(jié)構(gòu)的整體復(fù)雜性, 確定結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件—風(fēng)雨操場中支承型鋼梁的框架柱、錯層部位框架柱及其抗震性能目標(biāo), 風(fēng)雨操場中支承型鋼梁的框架柱及錯層部位框架柱按中震抗剪彈性、抗彎不屈服設(shè)計, 其余部位框架柱按中震不屈服設(shè)計, 這些框架柱及大跨框架梁還應(yīng)滿足大震作用下的截面抗剪控制條件。其余非關(guān)鍵構(gòu)件的框架柱和框架梁的性能目標(biāo)見表2。在不同地表作用水準(zhǔn)下, BRB 受力也不相同。當(dāng)BRB 受力超過其屈服力時, BRB 進(jìn)入到非線性受力階段。本設(shè)計選用的BRB 在小震時均處于彈性階段, 結(jié)構(gòu)的層間位移角在小、中、大震下分別應(yīng)小于1/550、1/275 和1/130,在中震、大震時BRB 會因達(dá)到其屈服荷載而進(jìn)入非線性階段。

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)Tab.2 Seismic performance objectives of structural components

3 減震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

3.1 地震波的選取

據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》, 選擇5 條天然波和2條人工波進(jìn)行地震時程分析。其中天然波為Big Bear-01_NO_904(Big); Borrego Mtn_NO_37(Bor);Cape Mendocino_NO_827(Cap); Chi-Chi Taiwan_NO_1181(Chi); Coalinga-01_NO_324(Coa)。2 條人工波分別為Art1 和Art2, 其時程曲線如圖7 所示。

圖7 人工波時程曲線Fig.7 Time history curve of artificial records

各組地震波的反應(yīng)譜、平均反應(yīng)譜及與規(guī)范譜的對比結(jié)果如圖8 所示?？梢钥闯? 各主要周期上平均反應(yīng)譜與規(guī)范譜相差最大值小于20%。地震作用計算參數(shù)見表3。

圖8 各組地震波反應(yīng)譜與平均反應(yīng)譜圖Fig.8 Seismic wave response spectrum and average response spectrum of each group

表3 地震作用計算參數(shù)Tab.3 Calculation parameters of seismic action

3.2 小震作用下分析

在Etabs 中, 采用快速非線性分析對結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震作用下的彈性時程分析, 小震作用下的剛度比、扭轉(zhuǎn)位移比、偏心率見表4 和表5, 層間位移角如圖9 所示。

表4 第二層減震前后剛度比Tab.4 Stiffness ratio before and after second Layer shock absorption

表5 第二層偏心率與扭轉(zhuǎn)位移比Tab.5 Eccentricity ratio and torsion displacement ratio of layer 2

圖9 小震下減震前后層間位移角Fig.9 Interlayer displacement angle beforeand after shock absorption under frequent earthquake

從表4 可見, 減震后第二層的剛度比Rx1、Ry1均大于1, 解決了薄弱層的問題, 從表5 中可見, 減震后的偏心率小于規(guī)范值0.3, 扭轉(zhuǎn)位移比小于規(guī)范值1.2, 解決了部分樓層偏心率、扭轉(zhuǎn)位移比偏大的問題, 從圖9 中可知x方向和y方向減震后的層間位移角均有明顯減小, 從圖10彎曲型BRB 滯回曲線可知, 小震作用下, 彎曲型BRB 未達(dá)到其屈服荷載, 仍處于彈性階段,減震后的層間位移角都有明顯減小, 且小于1/550。

3.3 中震分析

采用彈塑性時程分析方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行中震分析, 為了考察中震下彎曲型BRB 是否比普通BRB 率先進(jìn)入屈服, 將地震峰值加速度設(shè)為120gal 進(jìn)行彈塑性分析, 此時普通BRB和彎曲型BRB 的軸力如表6 所示, 彎曲型BRB 和普通BRB 的軸力滯回曲線示例如圖11、圖12 所示。

圖10 彎曲型BRB 在小震作用下的滯回曲線Fig.10 Hysteresis curve of curved BRB under frequent earthquake

圖11 彎曲型BRB 滯回曲線Fig.11 Hysteresis curve of curved BRB(The BRB of shaft is between the shaft ②and the shaft ③)

圖12 普通BRB 滯回曲線(?軸的②③軸間的BRB)Fig.12 Hysteresis curve of curved BRB(The BRB of shaft is between the shaft ②and the shaft ③)

表6 屈曲支撐的軸力Tab.6 Axial force of buckling brace

由表6 可知, 中震下彎曲型BRB 首先達(dá)到屈服承載力, 從滯回曲線來看, 彎曲型BRB 達(dá)到屈服荷載開始進(jìn)入塑性階段耗能, 而此時普通BRB 的滯回曲線接近為直線, 未進(jìn)入塑性階段,因此彎曲型BRB 先于普通BRB 進(jìn)入塑性階段,消耗地震能量。將中震的峰值加速度調(diào)整到200gl 后進(jìn)行彈塑性時程分析, 其在各條地震波下的x、y向的層間位移角對比見圖13。從圖可知中震下, 增設(shè)BRB 后的層間位移角明顯減小。

3.4 大震分析

在Etabs 中采用直接積分法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時程分析, 分析得到的層間位移角以及屈曲支撐滯回曲線如圖14、圖15 所示。

圖13 中震下減震前后層間位移角Fig.13 Interlayer displacement angle before and after shock absorption under design earthquake

圖14 大震下減震前后層間位移角Fig.14 Interlayer displacement angle before and after shock absorption under rare earthquake

從所有的BRB 滯回曲線圖中可以看出, 大震作用下, 結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入彈塑性階段, 所有的BRB 都進(jìn)入了塑性階段, 為節(jié)省篇幅, 僅以圖15 為示例, 其滯回曲線表明進(jìn)入了屈服。表明BRB 消耗了地震能量, 而且大震下滯回圈比中震下有變大的趨勢, 但沒有下降的特征, 說明結(jié)構(gòu)總體承載力沒有出現(xiàn)降低, 滿足性能水準(zhǔn)要求,加屈曲支撐后的結(jié)構(gòu)層間位移減小, 且小于1/130。

圖15 普通BRB 在大震作用下的滯回曲線Fig.15 Hysteresis curves of ordinary BRB under large earthquakes

4 結(jié)論

在某綜合樓中采用了屈曲約束支撐(BRB)的消能減震技術(shù)。通過Etabs 對小震、中震及大震作用下分別進(jìn)行了計算分析, 得出以下幾點主要結(jié)論:

1.采用屈曲約束支撐對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震設(shè)計是可行的;

2.小震作用下, 采用屈曲約束支撐進(jìn)行減震, 使框架結(jié)構(gòu)所分擔(dān)的地震力較不減震方案減小, 并明顯減小了層間位移角。此時, 屈曲約束支撐處于彈性狀態(tài), 未進(jìn)入耗能階段。

3.中震作用下,x、y向?qū)娱g位移減震率最大值分別可達(dá)到20.8%和21.2%, 彎曲型屈曲約束支撐先于普通屈曲約束支撐進(jìn)入彈塑性階段, 除了提供剛度外, 還起到了耗散地震能量的作用。

4.大震作用下,x、y向?qū)娱g位移減震率最大值分別可達(dá)到25.49%和23.05%, 主體結(jié)構(gòu)的損傷程度得到了有效控制, 塑性發(fā)展程度較小, 整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。