弯曲型BRB 在某中学综合楼消能减震设计中的应用

苏毅 邹俊 王枫琦 孙珺

(南京林业大学土木工程学院 210037)

引言

随着建筑结构的功能复杂化, 在一个建筑中常存在多个大空间房屋, 从而会产生错层、楼板大开洞、薄弱层、扭转效应明显等问题。为了保证建筑在地震中的安全性, 采用BRB 减震是有效且经济的方法。工程实践证明, 在新建结构中设置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, 价格便宜, 可以减少二次装修。屈曲约束支撑的性能试验分析[4-8]表明屈曲支撑可以提高建筑结构的刚度,消耗地震能量。但普通BRB 变形能力小, 易应力集中, 一旦进入屈服阶段, 可能就会面临更换。通过对设置弯曲型BRB 的结构进行抗震分析, 弯曲型BRB 使用波形内芯板代替普通约束屈曲支撑中一字形、十字形及H 形内芯钢板, 具有延性高、不易发生损坏的优点。在强震作用下, 它能比普通屈曲约束支撑率先进入耗能状态, 波形内芯板受拉压变形, 从而通过内芯钢板的屈服达到耗散地震输入能量的目的, 有效避免主体结构的损坏。本文以某中学综合楼为例, 采用普通BRB 减小综合楼部分楼层偏心率和扭转位移偏大的问题, 提高结构的抗扭转能力。在地震作用下变形大的第二层中增设弯曲型屈曲约束支撑, 改善第二、三层刚度差异较大的问题, 使结构从底部往上形成刚度呈阶梯型降低, 防止地震作用下薄弱层破坏集中发生, 提高结构抗震能力。

1 工程概况

其中学综合楼采用钢筋混凝土框架结构, 总建筑面积为36660m2。地下1 层, 局部地下2 层,地上5 层, 其中地上裙房1 层。首层层高5.1m,其余层高4.2m。除办公室、教室等常规房间外,建筑还有风雨操场、报告厅、高中舞蹈教室及400 人活动教室。其中风雨操场挑高层高为11.4m, 如图1 所示。

图1 综合楼剖面示意Fig.1 Diagram of the comprehensive building section

建筑物功能复杂、特殊房间多, 存在以下问题:

(1)风雨操场大空间使楼板开大洞, 其有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%, 且开洞面积大于该楼层楼面面积的30%。

(2)北侧风雨操场及报告厅的楼层标高自8.300m 起与南侧标高错开形成错层结构, 且由于建筑物两侧层高不一致而形成穿层柱。

(3)建筑物的第二层和第三层的刚度相差很大, 存在薄弱层问题, 且存在其扭转位移比及偏心率偏大的问题。

工程抗震设防类别为乙类, 地震烈度为8 度(0.2g), 设计地震分组为第三组, 场地类别为Ⅳ类, 特征周期为0.9s, 框架抗震等级二级, 基本风压为0.45kN/m2。Etabs 整体模型如图2 所示。

图2 计算模型简图Fig.2 Diagram of the model

2 减震设计方案

根据上述问题, 提出以下解决方案: (1)增加主体结构耗散地震能量的能力, 保证薄弱层梁柱节点不易破坏; (2)设置BRB 使关键构件满足在中震、罕遇地震作用下抗弯抗剪等性能化要求; (3)增加结构的延性。

针对上述风雨操场等大空间使楼板开大洞问题, 采用加厚开洞口楼层楼板, 适当加强其配筋, 提高其抗变形能力。风雨操场的跨度为33.6m, 故其框架梁采用型钢梁。对于错层结构及穿层柱问题, 增加结构刚度、减少结构位移,尤其中大震下位移减小可减轻错层、穿层柱的不利影响。在抗震设计时计入“双向地震作用”, 进行结构的内力和配筋设计时, 将楼板定义为弹性膜, 同时增加振型数, 保证结构有效质量系数大于0.9。对于部分楼层扭转位移比、偏心率偏大的问题, 增加普通屈曲约束支撑, 以减小偏心率和扭转位移, 提高结构的抗扭转能力。在第二层薄弱层增设弯曲型屈曲约束支撑, 改善第二、三层刚度差异较大的问题, 使结构从底部往上形成刚度呈阶梯型降低, 防止地震作用下薄弱层破坏集中发生, 提高结构抗震能力。

2.1 弯曲型屈曲约束支撑

弯曲型约束屈曲支撑的构造如图3 所示,在受压时, 内芯钢板的波浪在水平隔板处发生压缩变形, 该波浪的上波峰和下波谷同时向相邻的约束钢板发生变形。随着受压位移的不断增大, 波浪的上下波峰先后与约束钢板发生接触, 并受到约束钢板的约束。从而弯曲的内芯耗能板会在其他地方屈服, 故其随变形加剧,屈服点亦随之增多, 从而具有优异的耗能能力。从弯曲型屈曲约束支撑滞回曲线来看, 滞回曲线很饱满, 说明其耗能性能良好, 如图4 所示。弯曲型BRB 仅设置于第二层, 与第三层刚度相比, 该层因开大洞刚度降低较多, 增设弯曲型BRB 后, 使第二层刚度大于第三层, 且从底往上, 形成刚度阶梯变小。底层为面积较大的裙房, 刚度远大于第二层, 在强烈地震动下, 第二层会产生较大的层间位移。弯曲型BRB 变形能力强, 耗能性能好。当结构受到地震作用超过小震不多时, 通过设计可保证弯曲型BRB 先进入耗能状态。由于其耗能机制有别于普通BRB, 故在不特别大的位移下, 弯曲型BRB 可承受多次往复变形, 在偶尔受到超过小震的作用时无需即刻更换。此外, 其受到较大变形时也不会被拉断后退出工作。

图3 弯曲型屈曲支撑构造Fig.3 Bending buckling bracing structure

图4 弯曲型屈曲支撑滞回曲线Fig.4 Hysteresis curve of flexural buckling bracing

2.2 BRB 减震布置

除了上述的弯曲型BRB 外, 还在结构中设置了刚度更大的普通型BRB, 以增加结构刚度,减小结构侧移, 调节刚度中心位移, 增强结构整体抗扭刚度, 使关键构件在地震下满足性能设计要求。考虑到建筑的使用功能, 并结合屈曲约束支撑的性能及特点, 该工程所用屈曲支撑方式采用一字撑和人字撑两种形式,X向布置24个,Y向布置30个, 总共布置54个支撑, 共三种类型, BRB1 和BRB3 为普通支撑, BRB2 为弯曲型支撑。BRB 平面布置如图5, 立面布置如图6,BRB3 仅在第二层布置。具体参数见表1。

图5 BRB 平面布置Fig.5 BRB Layout

图6 BRB 立面布置Fig.6 BRB facade layout

表1 屈曲支撑BRB 参数Tab.1 BRB parameters of buckling bracing

2.3 减震后关键构件的目标

考虑到结构的整体复杂性, 确定结构的关键构件—风雨操场中支承型钢梁的框架柱、错层部位框架柱及其抗震性能目标, 风雨操场中支承型钢梁的框架柱及错层部位框架柱按中震抗剪弹性、抗弯不屈服设计, 其余部位框架柱按中震不屈服设计, 这些框架柱及大跨框架梁还应满足大震作用下的截面抗剪控制条件。其余非关键构件的框架柱和框架梁的性能目标见表2。在不同地表作用水准下, BRB 受力也不相同。当BRB 受力超过其屈服力时, BRB 进入到非线性受力阶段。本设计选用的BRB 在小震时均处于弹性阶段, 结构的层间位移角在小、中、大震下分别应小于1/550、1/275 和1/130,在中震、大震时BRB 会因达到其屈服荷载而进入非线性阶段。

表2 结构构件的抗震性能目标Tab.2 Seismic performance objectives of structural components

3 减震结构地震响应分析

3.1 地震波的选取

据《建筑抗震设计规范》, 选择5 条天然波和2条人工波进行地震时程分析。其中天然波为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 条人工波分别为Art1 和Art2, 其时程曲线如图7 所示。

图7 人工波时程曲线Fig.7 Time history curve of artificial records

各组地震波的反应谱、平均反应谱及与规范谱的对比结果如图8 所示。可以看出, 各主要周期上平均反应谱与规范谱相差最大值小于20%。地震作用计算参数见表3。

图8 各组地震波反应谱与平均反应谱图Fig.8 Seismic wave response spectrum and average response spectrum of each group

表3 地震作用计算参数Tab.3 Calculation parameters of seismic action

3.2 小震作用下分析

在Etabs 中, 采用快速非线性分析对结构进行小震作用下的弹性时程分析, 小震作用下的刚度比、扭转位移比、偏心率见表4 和表5, 层间位移角如图9 所示。

表4 第二层减震前后刚度比Tab.4 Stiffness ratio before and after second Layer shock absorption

表5 第二层偏心率与扭转位移比Tab.5 Eccentricity ratio and torsion displacement ratio of layer 2

图9 小震下减震前后层间位移角Fig.9 Interlayer displacement angle beforeand after shock absorption under frequent earthquake

从表4 可见, 减震后第二层的刚度比Rx1、Ry1均大于1, 解决了薄弱层的问题, 从表5 中可见, 减震后的偏心率小于规范值0.3, 扭转位移比小于规范值1.2, 解决了部分楼层偏心率、扭转位移比偏大的问题, 从图9 中可知x方向和y方向减震后的层间位移角均有明显减小, 从图10弯曲型BRB 滞回曲线可知, 小震作用下, 弯曲型BRB 未达到其屈服荷载, 仍处于弹性阶段,减震后的层间位移角都有明显减小, 且小于1/550。

3.3 中震分析

采用弹塑性时程分析方法对结构进行中震分析, 为了考察中震下弯曲型BRB 是否比普通BRB 率先进入屈服, 将地震峰值加速度设为120gal 进行弹塑性分析, 此时普通BRB和弯曲型BRB 的轴力如表6 所示, 弯曲型BRB 和普通BRB 的轴力滞回曲线示例如图11、图12 所示。

图10 弯曲型BRB 在小震作用下的滞回曲线Fig.10 Hysteresis curve of curved BRB under frequent earthquake

图11 弯曲型BRB 滞回曲线Fig.11 Hysteresis curve of curved BRB(The BRB of shaft is between the shaft ②and the shaft ③)

图12 普通BRB 滞回曲线(Ⓐ轴的②③轴间的BRB)Fig.12 Hysteresis curve of curved BRB(The BRB of shaft is between the shaft ②and the shaft ③)

表6 屈曲支撑的轴力Tab.6 Axial force of buckling brace

由表6 可知, 中震下弯曲型BRB 首先达到屈服承载力, 从滞回曲线来看, 弯曲型BRB 达到屈服荷载开始进入塑性阶段耗能, 而此时普通BRB 的滞回曲线接近为直线, 未进入塑性阶段,因此弯曲型BRB 先于普通BRB 进入塑性阶段,消耗地震能量。将中震的峰值加速度调整到200gl 后进行弹塑性时程分析, 其在各条地震波下的x、y向的层间位移角对比见图13。从图可知中震下, 增设BRB 后的层间位移角明显减小。

3.4 大震分析

在Etabs 中采用直接积分法对结构进行弹塑性时程分析, 分析得到的层间位移角以及屈曲支撑滞回曲线如图14、图15 所示。

图13 中震下减震前后层间位移角Fig.13 Interlayer displacement angle before and after shock absorption under design earthquake

图14 大震下减震前后层间位移角Fig.14 Interlayer displacement angle before and after shock absorption under rare earthquake

从所有的BRB 滞回曲线图中可以看出, 大震作用下, 结构已经进入弹塑性阶段, 所有的BRB 都进入了塑性阶段, 为节省篇幅, 仅以图15 为示例, 其滞回曲线表明进入了屈服。表明BRB 消耗了地震能量, 而且大震下滞回圈比中震下有变大的趋势, 但没有下降的特征, 说明结构总体承载力没有出现降低, 满足性能水准要求,加屈曲支撑后的结构层间位移减小, 且小于1/130。

图15 普通BRB 在大震作用下的滞回曲线Fig.15 Hysteresis curves of ordinary BRB under large earthquakes

4 结论

在某综合楼中采用了屈曲约束支撑(BRB)的消能减震技术。通过Etabs 对小震、中震及大震作用下分别进行了计算分析, 得出以下几点主要结论:

1.采用屈曲约束支撑对该结构进行减震设计是可行的;

2.小震作用下, 采用屈曲约束支撑进行减震, 使框架结构所分担的地震力较不减震方案减小, 并明显减小了层间位移角。此时, 屈曲约束支撑处于弹性状态, 未进入耗能阶段。

3.中震作用下,x、y向层间位移减震率最大值分别可达到20.8%和21.2%, 弯曲型屈曲约束支撑先于普通屈曲约束支撑进入弹塑性阶段, 除了提供刚度外, 还起到了耗散地震能量的作用。

4.大震作用下,x、y向层间位移减震率最大值分别可达到25.49%和23.05%, 主体结构的损伤程度得到了有效控制, 塑性发展程度较小, 整体结构具有良好的抗震性能。