孙道乾
摘 要:本文通过对某钢结构进行减震加固分析,讨论了基于防屈曲钢板剪力墙和黏滞阻尼器两种减震方案在多遇、罕遇地震影响下的性能对比。在多遇地震下,两方案的层间位移角相比原结构都有所减小;在罕遇地震情况下,两种布置方案都有效耗散了地震能量,提高了结构的安全性。对比发现,黏滞阻尼器滞回曲线更加饱满,消耗地震能量较多,两方案布置均满足规范要求。
关键词:钢结构;性能对比;滞回曲线
中图分类号:TU352文献标识码:A文章编号:1003-5168(2021)10-0086-03
Study on the Application of Energy Dissipation Damping Technology in the Performance Improvement of Steel Structure Building
SUN Daoqian
(School of Civil Engineering and Communication, North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou Henan 450045)
Abstract: Based on the analysis of a steel structure, this paper discussed the performance comparison of two damping schemed based on buckling restrained steel plate shear wall and viscous damper under the influence of frequent and rare earthquakes. In the case of frequent earthquakes, the story drift angle of the two schemes was smaller than that of the original structure; In case of rare earthquake, the two layout schemes could effectively dissipate the seismic energy and improve the safety of the structure. It was found that the hysteretic curve of viscous damper was fuller and consumes more seismic energy. Both schemes met the requirements of the code.
Keywords: steel structure;performance comparison;hysteresis curve
耗能减震主要是通过在结构体系内部设置耗能构件或阻尼元件,以增大阻尼,得到一个周期长于原有自振周期和场地卓越周期的结构,通过耗能(阻尼)装置产生摩擦、弯曲(或剪切、扭转)弹塑性滞回变形来耗散或吸收地震输入结构的能量,以减少主体结构的地震反应。防屈曲钢板剪力墙作为位移型阻尼器,在中震或大震下具有良好的滞回耗能能力。本文采用防屈曲钢板剪力墙与黏滞阻尼器作为耗能构件,研究其在既有建筑结构减震方面的应用。
1 耗能减震原理及防屈曲钢板剪力墙
1.1 耗能减震原理
基于能量转换角度阐述减震控制下能量平衡方程[1],耗能减震结构平衡方程为:
[EQ=EV+ES+EC+ED] (1)
式中:[EQ]为结构体系输入全部的地震能;[EV]为地震过程输入的动能与势能之和;[ES]为结构体系弹塑性变形所消耗应变能;[EC]为主体结构阻尼耗能;[ED]为耗能装置吸收耗散的能量。
与传统抗震结构相比,在输入地震能总量维持不变的情况下,耗能构件可以在结构体系进入非弹性工作前开始耗能,效果明显。试验表明:[EQ]中接近90%甚至以上的能量被耗能构件吸收;能量方程[ED]大大增加,使得主体结构耗能减弱,结构损伤降低。
1.2 防屈曲钢板剪力墙构造及内部机理
与传统钢板剪力墙不同之处在于,防屈曲钢板剪力墙把内部钢板作为重要抗侧力构件,通过留孔所加的特殊装置约束混凝土盖板处的屈曲,从而减少钢板拉力对周围框架梁柱产生的弯矩。鉴于结构布置类型﹑刚度不同,可以改变内部钢板的厚度﹑约束区位置以及连接件装置的种类,以通过改变剪力墙的刚度来提高整体承载力。由于防屈曲钢板剪力墙中间剪切区只对梁传递剪力,不产生横向荷载,而且在结构发生水平位移时,内部钢板产生剪切变形提供阻尼力,所以减小了结构的延性变形。同时,施工作业方便快捷,且作为建筑隔墙,具有一定的美观效果。
2 案例背景
本文研究的工程是河南省新乡市某钢结构实验楼,地上10层,无地下室,1—2层每层的层高为4.2 m,3—10层,每层的层高为3.6 m,该建筑采用钢框架结构体系。考虑到结构的功能作用,依据设计规范,结构构件采用Q345,梁柱截面尺寸不一,但均符合现行规范要求。
3 减震方案布置
由《钢板剪力墙技术规程》(JGJ/T 380—2015)[1]可知,防屈曲钢板剪力墙工作机理可以被等效交叉支撐模型较好模拟。鉴于等效交叉支撑模型在结构分析与建模过程中应用较方便,与实际钢板墙模拟结果相差不大,本文选用SAP2000中多线性塑性单元模拟防屈曲钢板剪力墙,在满足现行设计规范要求的基础上,提升建筑性能,降低经济成本。
3.1 防屈曲钢板剪力墙布置
目前,防屈曲钢板剪力墙用等效交叉支撑替代研究较少,而确定等效支撑模型的难度在于支撑点选取以及内部参数确定是否合理。李国强等人对两边连接屈曲约束钢板墙的等效支撑模型支撑点选取作了论述,当高宽比(h/b)≥1.5时,支撑点宜取在距剪力墙边缘处h/b处;当(h/b)<1.5时,支撑点取在0.1h处[2]。本文采用Plastic单元[4]模拟等效支撑,该布置记为方案一。
3.2 黏滞阻尼器布置
黏滞阻尼器作为速度型阻尼耗能装置,在一定程度上能够减小结构变形。黏滞阻尼器对结构只提供阻尼,不提供附加刚度,在实际工程中得到广泛应用。但其布置应遵循一定的原则,通常选择连续布置[3],隔层布置导致个别层刚度过大,加大相邻楼层的变形。本方案采用连续布置,布置位置同上述方案。利用Damper单元模拟阻尼器,采取斜向型连接方式模拟,该布置记为方案二。
4 结构分析计算
4.1 地震波选取
根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[4]中5.1.2条的要求,本案例选取了2条天然波和1条人工波,天然波和人工波选取均符合设计要求。
4.2 多遇地震时程分析
采用有限元分析软件SAP2000,对原结构、等效交叉支撑模拟防屈曲钢板剪力墙结构以及布置阻尼器结构进行多遇地震下的时程分析,对比两个模型所得数据,验证减震设计合理性。鉴于SAP2000更适合分析有限个非线性单元,本文对原结构及减震两个方案结构进行时程分析,分别取一条天然波的基底剪力和层间位移角进行对比,结果如图1到图4所示。
4.2.1 基底剪力图数据对比。从基底剪力图数据可知,在多遇地震下,等效交叉支撑单元模拟防屈曲钢板剪力墙可以为结构提供刚度,但不提供附加阻尼,防屈曲钢板剪力墙在弹性阶段提供较大刚度,侧向力作用下有效发挥了钢板墙承载能力,合理的耗能装置布置有效增加了结构的抗侧刚度,使得基底剪力增加,与原结构基底剪力相比,X向最大增加54.1%,Y向增加33.2%;而黏滞阻尼器仅提供附加阻尼不提供附加刚度,这使得结构基底剪力有所减少,与原结构的基底剪力相比,X向最大减少12.5%,Y向减少12.8%。可见,同样作为耗能构件,防屈曲钢板剪力墙增加了结构基底剪力,黏滞阻尼器降低了结构基底剪力。
4.2.2 层间位移角数据对比。从图3和图4可知,在地震作用下,原结构X向和Y向层间位移角在结构中下段的控制较弱,原结构抗侧刚度低,加大构件截面尺寸与配筋量效果并不明显,考虑到经济性,采用耗能装置来减弱结构变形是合理有效的办法。布置减震方案后,可明显看出原结构层间位移角降低,方案一的防屈曲钢板剪力墙能提供抗侧刚度,X向层间位移角降低57.9%,Y向层间位移角最大降低60.7%;方案二的黏滞阻尼器虽然不提供抗侧刚度,但由于结构阻尼加大,在地震作用下比结构构件率先耗能,使得结构层间位移角降低,X向降低20.1%,Y向降低15.48%。整体效果来看,方案一比方案二更优。
4.3 罕遇地震时程分析
研究结构在罕遇地震下的性能,更能体现耗能减震构件的耗能能力。同样选取上述天然波,对比分析连接单元滞回耗能曲线,结果如图5和图6所示。
从图5和图6可以看出,两种减震方案都在很大程度上消耗了地震能量,在输入能量一定的情况下,连接单元耗能占80%以上。由于方案一提供大量抗侧刚度,在罕遇地震下耗散能量优势较明显,滞回曲线相对饱满;方案二与方案一对比,方案二滞回曲线更加饱满,消耗的地震能量也相对更多。两种方案都有效减弱了结构本身能量耗散比重,减小了结构变形,提高了结构自身稳定性。
5 结论
防屈曲钢板剪力墙作为耗能构件,在高烈度地區对钢结构减震加固性能提升起着重要作用,黏滞阻尼器通过提供附加阻尼来消耗地震能量。通过本文的分析可知,两方案耗能相差不大,可将方案一用于实际工程案例,布置时要避免结构薄弱层出现,以免结构楼层产生突变。
参考文献:
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.钢板剪力墙技术规程:JGJ/T 380—2015[S].北京:中国建筑工业出版社,2016.
[2]李国强,刘文洋,陆烨,等.两边连接屈曲约束钢板剪力墙受力机理与等效支撑模型[J].建筑结构学报,2015(4):33-41.
[3]张敏,陈豆豆.设置非线性粘滞阻尼耗能框架结构地震反应分析[J].广西科技大学学报,2019(1):19-30.
[4]中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.