双塔连体结构设置防屈曲耗能支撑的弹塑性分析

宋巨峰，陈道政

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥　230009)



双塔连体结构设置防屈曲耗能支撑的弹塑性分析

宋巨峰，陈道政

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥230009)

摘要：为了研究双塔连体结构设置防屈曲耗能支撑的抗震性能，文章以某栋20层双塔连体结构为例，利用有限元软件SAP2000分别对原结构及设置防屈曲耗能支撑后的结构进行弹塑性对比分析。结果可知，在弹性阶段，防屈曲耗能支撑能够提供有效的侧向刚度，减少结构的自振周期，控制层间位移；在塑性阶段，防屈曲耗能支撑能够发挥耗能减震的性能，成为结构抗震的第一道防线。

关键词：双塔连体结构；防屈曲耗能支撑；Pushover；塑性铰

双塔连体结构体系[1]的特点是2个塔楼之间由于连体而形成较强的空间耦联作用,其分析模型、计算方法、受力性能、动力特性及破坏形式等比一般的单塔高层建筑结构复杂得多,因而此类结构的抗震性能成为设计中的一大难题[2]。随着防屈曲耗能支撑抗震加固方法的广泛应用,在强风荷载及多遇地震情况时，可以有效提高建筑的侧向刚度,降低建筑的水平位移;罕遇地震时,通过自身屈服耗能有效保护主体结构[3]。

防屈曲耗能支撑(BRB)具有为结构提供抗侧刚度和提高结构承载力的支撑构件(图1)，与一般支撑相比,防屈曲耗能支撑的滞回曲线更为饱满,具有更好的耗能减震作用[4]。

图1　防屈曲耗能支撑立面布置图

1工程概况

某双塔连体结构的立面图、剖面图如图2所示,结构采用钢框架结构体系,左右两塔楼均为20层,层高均为3.6 m,总高度为72 m,双塔间距为12 m,双塔在顶部4层通过连体相连。抗震设防烈度为8度(0.30g),建筑场地类别为Ⅱ类场地,设计地震分组为第一组,特征周期Tg为0.35 s,阻尼比为0.03。

图2　立面图和剖面图

Z1为箱型截面,尺寸为450 mm×450 mm×25 mm;Z2为箱型截面,尺寸为450 mm×450 mm×35 mm;Z3为箱型截面,尺寸为450 mm×450 mm×50 mm; KL为工字型截面,尺寸为600 mm×250 mm×8 mm×12 mm; LL为工字型截面,尺寸为800 mm×250 mm×10 mm×18 mm。钢结构的材质均为Q345B钢。楼板的厚度为120 mm,混凝土强度等级为C35。

2模型建立与分析

2.1结构建模

用SAP2000对结构进行建模分析[5]。选择BRB支撑尺寸分别为305 mm×305 mm,芯板钢材材质为Q235,采用倒V字形布置[6]。为了研究不同方案对原结构受力性能的影响,建立3个整体结构模型。图3(a)为原结构模型,图3(b)为只在连接体上加BRB支撑,图3(c)为在主楼与连接体上均加BRB支撑。

图3　结构模型

2.2模态分析

模态分析结果见表1所列。由表1可见,模型2比模型1的自振周期有所减小,但减小幅度不大;模型3的自振周期减小幅度较大,尤其是第2振型,减小很多。说明布置BRB支撑能使结构刚度变大,减小自振周期,同时,沿防BRB支撑布置方向的刚度增加较大。因此,BRB支撑可以通过增加结构刚度来增加结构的抗震能力。

表1　结构的自振周期　s

2.3反应谱分析

振型组合采用CQC法,图4所示为在反应谱工况下各模型的层间位移角随楼层的变化。

图4　反应谱工况下各模型的层间位移角

由图4可见,模型1的最大层间位移角为1/178,超过规范规定的多高层钢结构弹性位移角限值1/250[7]。模型2的最大层间位移角为1/230,虽然也超过规范限值,但相对于模型1,层间位移有所减少。模型3的最大层间位移角为1/724,满足规范要求。此外,模型1和2曲线较陡,存在明显的薄弱层,而模型3的曲线比较平缓,没有明显的薄弱层,说明BRB支撑在地震作用下能够有效控制结构位移。

2.4Pushover分析

本工程框架梁采用系统默认弯矩(M3)塑性铰,框架柱采用系统默认的轴力弯矩(PMM)塑性铰[8]。BRB支撑采用用户自定义的轴向塑性铰,并根据各个BRB支撑受力性能的不同分别定义。侧向荷载模式选择重力荷载+X向加速度的均布分布作用。

以结构顶点作为监控点,对3个整体模型进行Pushover分析后得到基底剪力-位移曲线,如图5所示。由图5可见,虽然模型2仅在连体处设置了BRB支撑,但与模型1相比,不论是弹性阶段还是塑性阶段,刚度都有所提高。模型3在弹性阶段和塑性阶段,曲线都有较大上升,说明刚度有较大提高,能更好满足结构抗震要求。

图5　基底剪力-位移曲线

在相同的基准下建立结构能力谱曲线和需求谱曲线,2条曲线的交点即是结构的性能点,由此点对应的结构状态便可对模型1和模型3结构性能进行评估[9]。由此可得出各模型在罕遇地震作用下的性能点,模型1的性能点为(0.101,0.392),对应的顶点位移为493 mm,模型3的性能点为(0.274,0.145 0),对应的顶点位移为200 mm。分别以493 mm和200 mm为模型1和模型3的目标顶点位移,再次进行Pushover分析,得出模型1和模型3性能点处的结构反应,其模型1和模型3性能点塑性铰分布情况如图6所示。

图6　结构性能点塑性铰分布

从图6中可以看出,模型1在其性能点处已经进入了弹塑性状态,底层一些框架梁出现塑性铰。而模型3中则没有出现塑性铰,整体上看结构尚处于弹性阶段,说明输入能量被BRB支撑大量消耗,主体结构反应减小,使其抗震能力得到大幅提高。

2.5非线性时程分析

时程地震波选择Elcentro波[10],其最大加速度峰值分别为341 cm/s2。

图7所示为各模型在Elcentro波下弹塑性层间位移角随楼层的变化,可看出3个模型的最大层间位移角均满足规范规定的限值1/50,但模型2、3的层间位移沿高度的变化趋势相对均匀,尤其是模型3,说明在结构中设置BRB支撑对于结构层间位移有较好的抑制作用,从而能更好地发挥其抗震作用。

选取底层BRB支撑进行耗能效果分析,该BRB支撑尺寸为305 mm×305 mm,材质为Q235,有效截面面积为7 435 mm2,由计算可得到支撑屈服承载力为1 747.225 kN,极限承载力为3 214.894 kN。

图7　结构在地震波下的弹塑性层间位移角

BRB支撑在多遇地震和罕遇地震作用下的轴力时程曲线,如图8所示。在多遇地震作用下,支撑轴力最大为529.8 kN,未达到屈服极限,起到加强结构侧向刚度作用;在罕遇地震作用下,支撑最大轴力为644.2 kN,大于屈服极限,说明在罕遇地震作用下BRB支撑达到屈服点,进入塑性阶段,起到了耗能减震作用。

图8结构在地震作用下支撑轴力时程曲线

3结论

(1) 在弹性阶段,2种防屈曲耗能支撑方案不仅能增加结构刚度,减少结构自振周期,还能有效地控制结构位移响应,使层间位移角满足规范要求。

(2) 在塑性阶段,设置防屈曲耗能支撑可以使原结构的最大层间位移角显著减小,说明防屈曲耗能支撑能通过消耗地震能量可增强结构的抗震能力。

(3) 方案3的耗能减震效果要高于方案2,但由于方案3在塔楼和连体处均设置了防屈曲耗能支撑,费用较高。因此,对于在双塔连体结构中需要根据实际情况设置防屈曲耗能支撑,综合考虑建筑结构的使用要求、抗震要求以及费用等多方面因素,选择合适的方案。

〔参考文献〕

[1]李森.双塔连体结构的抗震性能分析[D].西安:西安建筑科技大学,2014.

[2]王秀华.粘弹性阻尼双塔连体高层钢结构抗震性能分析[D].邯郸:河北工程大学,2010.

[3]欧阳煜,张文杰.防屈曲耗能支撑加固钢筋混凝土框架抗震效果分析[J].工业建筑, 2009,39 (11):118-121.

[4]梁华堂,高天宝,马裕超.防屈曲支撑钢框架结构耗能性能分析[J].山西建筑,2010,36(1):100-101.

[5]北京金土木软件技术有限公司,中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文使用指南[M].北京：人民交通出版社,2013.

[6]宋景旭.防屈曲耗能支撑的简化设计方法与参数优化研究[D].昆明:昆明理工大学,2013.

[7]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[8]陈建兴,姜文伟,穆为.Pushover分析在性能化抗震设计中的应用[J].结构工程师,2008,24(3):81-86.

[9]ATC.Seismic evaluation and retrofit of concrete buildings[R].california: Applied Technology Council,1996.

[10]魏雷涛.时程分析中地震动记录筛选及调整研究[D].天津:天津大学,2012.

收稿日期：2016-03-21；修改日期：2016-03-25

作者简介：宋巨峰(1991-)，男，安徽滁州人，合肥工业大学硕士生； 陈道政(1964-)，男，安徽合肥人，博士，合肥工业大学教授．

中图分类号：TU352

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)02-0191-03