新型钢筋混凝土框架减震体系性能分析

王秀丽,张晓将

(兰州理工大学土木工程学院,甘肃 兰州 730050)

屈曲约束支撑(Buck ling-Restrained Braces)是由低屈服点软钢制成的支撑内核和钢管内填混凝土的约束机构构成。这种支撑受压受拉时均能达到屈服,此外支撑内核屈服后能够吸收大量的地震能量。这使得约束屈曲支撑在弹性阶段是高强度的斜撑构件,屈服后又是一种良好的迟滞型阻尼器,能够吸收大量地震能量[1]。这种构件在国外已经大量应用于框架结构中,但在国内的应用还比较少,理论研究更是不成熟。考虑到钢筋混凝土框架结构在我国应用比较广泛,但其抗侧刚度小,尤其在高烈度地区,“大震不倒”难以保证。本文针对框架结构抗侧刚度不足的楼层计算得出屈曲约束支撑的截面面积,利用ANSYS软件模拟多遇地震作用,对结构进行弹性阶段分析对比,并在罕遇地震作用下验算结构是否满足“大震不倒”。

1 屈曲约束支撑截面面积的计算

先确定目标层间位移角,再应用底部剪力法确定各层在多遇地震作用下的地震剪力。最后比较结构的抗剪承载力与地震剪力,当结构的抗剪承载力小于地震剪力时,其差值即为屈曲约束支撑所贡献的剪力,从而得出支撑的截面面积。当结构进入弹塑性阶段时,屈曲约束支撑核心部分同步进入屈服状态,起到了耗能减震的作用。其计算流程图见图1。

2 工程算例

某八层框架结构抗震设防烈度为 8度,设计基本加速度为 0.30 g,设计分组为第一组,场地类别为 3类。其布置如图 2所示。由于原结构的抗侧刚度不足,故采用加屈曲约束支撑的方法对其加强,本文以横向地震计算为例。原结构的基本数据见表 1。

根据《建筑抗震设计规范》中的要求,钢筋混凝土结构的弹性位移角限值为 1/550,本文计算过程中考虑屈曲约束支撑的计算偏差,直接取放大系数 1.1,则相应的目标弹性位移角为 1/600。由表 1可知一到四层的位移角比较大,应该加屈曲约束支撑以增加楼层的抗侧刚度。其计算结果见表 2。

图1 屈曲约束支撑设计流程

图2 屈曲约束支撑布置及有限元模型

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屈曲约束支撑布置在结构的四个位置,每层共需 8个支撑。第一层和第四层的每个屈曲约束支撑的截面面积统一取为 1600 mm2,第二层的每个屈曲约束支撑取为 3000 mm2,第三层的每个屈曲约束支撑的截面面积取为 2400mm2。

3 有限元模型计算结果对比

在 ANSYS程序中梁、柱采用 beam4单元、楼板采用shell63单元、屈曲约束支撑采用 link8单元,屈曲约束支撑采用人字形或 V形布置(见图 2(a)所示),支撑钢材的本构关系采用理想弹塑性模型,采用 Von Mises屈服准则。输入了三种不同的地震波进行模拟地震作用,地震加速度时程分析的峰值均采用 110 cm/s2(8度,0.3 g),两个记录的时间间隔为0.02 s。

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3.1 弹性阶段层间位移角对比分析

通过大型有限元软件 ANSYS分析,表 3列出了三种不同的地震波作用下原钢筋混凝土框架结构和带屈曲约束支撑的各层弹性层间位移角,同时绘出不同地震波作用下的各层最大位移角曲线。从表 3和表 4对比可知,加屈曲约束支撑后最大层间位移角明显减小,满足规范中的弹性位移角限值要求。

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3.2 结构减震体系减震效果分析

以取 TAFT地震波计算结果为例,分别观察一到四层加屈曲约束支撑前后层间位移变化,可知加支撑之后层间位移明显减小,见图 3所示。同样,在用三种不同地震波计算结构层间位移也有不同程度减小,其层间位移变化及位移折减率见表 4。

图3 TAFT地震波作用下一到四层层间位移的时程分析对比结果

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3.3 罕遇地震作用下结构侧移验算

对该混凝土框架结构进行罕遇地震反应分析时,同样输入了不同的地震波进行模拟地震作用,按照《建筑抗震设计规范》要求采用时程分析法时的峰值为 510 cm/m2。在地震作用方向的层间位移角满足《建筑抗震设计规范》的要求,其层间位移角均小于 1/50,可以满足“大震不倒”的要求,其结果见表 5。

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4 结论

(1)本文中提出的将支撑布置在位移较大区域的方法效果明显,能够使结构的层间位移角趋于平缓,并且满足规范要求。

(2)从表 4可以看出加屈曲约束支撑之后层间位移明显减小,在三种不同地震波模拟作用下层间位移减小 20%～35%,效果明显。加支撑后一到四层抗侧刚度增大,而在未加支撑的第五层有刚度突变,层间位移角比较大,但均满足规范要求。

(3)屈曲约束支撑的设计是基于弹性阶段内的,但结构进入弹塑性阶段以后,内核软钢随之屈服使屈曲约束支撑减震耗能的特性充分发挥,使结构满足“大震不倒”的要求。同时在今后研究和工程实践当中,应注意屈曲约束支撑与梁柱节点的连接、以及初始几何缺陷、温度等因素对其动力性能的影响。

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