基于耗能构件的大悬挑钢结构消能减震性能分析

武宗良,孙建良,张贵阳,朱嘉男

(华北水利水电大学 土木与交通学院,河南 郑州 450003)

大悬挑钢结构作为复杂空间结构中的典型结构形式,越来越多地被应用到工程实践中[1]。但是悬挑钢结构大多形心、质心分布不均,结构竖向刚度整体变化较大[2],体系较柔,阻尼较小,受地震作用影响较为明显。冯丽娟等[3]以北京当代MOMA为例,运用时程分析法研究了竖向地震作用下结构悬挑部位的竖向加速度分布情况,结果表明,在竖向地震作用下,结构悬挑部分沿悬挑方向的加速度呈放大趋势。王明珠等[4]对高建钢和普通钢对悬挑结构抗震性能的影响做了对比研究,得出在悬挑结构应力集中部位采用高建钢能够有效减小构件应力的结论。倪建公等[5]针对某大悬挑中心支撑钢框架结构进行设计分析,表明传统的抗震方式已经不能满足现今工程项目的抗震需求,耗能减震装置是结构抗震的新方向。在消能减震方面,翁大根等[6]总结了黏滞液体阻尼器消能减震的优点。Tepes-Onea等[7]针对某钢结构的两种减震耗能方案进行对比分析,结果表明阻尼器布置的位置对结构减震效果影响很大。侯立群等[8]介绍了建筑结构常规抗震、隔震及消能减震的原理和特点。朱飞飞[9]研究了屈曲约束支撑在大悬挑钢桁架结构中的减震性能,结果表明,竖向罕遇地震作用下屈曲约束支撑对悬挑端的竖向加速度以及竖向位移响应的控制比普通钢支撑更加有效。虽然上述学者在悬挑钢结构的抗震减震方面做了大量的研究工作并取得了丰富的研究成果,但是未有学者对耗能装置的类型、耗能装置的布置方式等对大悬挑钢结构的减震效果做一个较为全面的研究和梳理。

本文以某大悬挑钢结构为实例,采用SAP2000有限元分析软件对结构进行建模,通过弹塑性时程分析法和能量比法,对比研究耗能装置类型及布置形式对悬挑钢结构减震性能的影响,探索不同地震作用下最适用的阻尼器类型和布置形式,以期为类似工程提供一些有益的参考。

1 项目简介

1.1 工程概况

某工程为公共建筑,建筑整体为地上8层全钢框架结构,其中第1～6层为普通钢框架结构,在第7、8层外悬挑两跨,悬挑层结构平面布置如图1所示。建筑总高度36 m,建筑面积约为16 000 m2,建筑悬挑方向总长度为57.6 m,其中悬挑长度为14.4 m,占总长度的1/4。该结构安全等级为二级,抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.2 g,设计地震分组为第一组,多遇地震影响系数最大值为0.16,罕遇地震影响系数最大值为0.9,建筑场地类别为Ⅲ类,场地特征周期为0.45 s[10]。

图1 悬挑层结构平面布置图

1.2 结构构件布置

该结构③轴和④轴框架柱(KZ2)、其他部位框架柱(KZ1)、主梁(GL2)、悬挑梁(GL1)等主要构件参数如表1所示。

表1 主要构件参数

2 结构模型建立与模态分析

2.1 原结构模型建立

采用SAP2000有限元分析软件建立研究大悬挑钢结构减震性能所需的数值仿真模型,其中梁和柱采用线单元中的框架单元模拟,楼板采用壳单元模拟。依据建筑结构荷载规范[11]和实际使用要求施加相应的恒、活荷载,质量源设置为荷载模式,将结构竖向荷载转换为结构质量,恒荷载系数取1,活荷载系数取0.5[12]。结构有限元模型如图2所示。

a 主视图 b 左视图 c 三维视图

2.2 减震结构模型建立

通过对设置屈曲约束支撑的减震模型、设置黏滞阻尼器的减震模型以及未设置耗能装置的原结构模型进行仿真计算,对比分析大悬挑钢结构在设置了不同类别的耗能装置以及不同布置形式时的减震效果。在地震作用下,屈曲约束支撑通过屈服耗能增强结构的抗震性能,黏滞阻尼器通过内置的耗能元件产生弹塑性滞回变形,增大结构的阻尼,耗散地震能量,达到减小主体结构地震响应的目的[13-14]。在SAP2000中采用 Plastic(Wen)单元模拟屈曲约束支撑,并忽略杆件自身的重量;采用 Damper 单元模拟黏滞阻尼器,并将刚度设置为无穷大,消除弹簧单元的作用,模拟仅提供附加阻尼的黏滞阻尼器[15]。两种耗能构件均分别采用V型(模型一)、单斜撑(模型二)、跨层单斜撑(模型三)等3种形式布置,并采用4角满布的布置方式[16]。以屈曲约束支撑为例,耗能装置的3种布置方式如图3所示。

a V型布置 b 单斜撑型布置 c 跨层单斜撑型支撑布置

2.3 模态分析

模态分析主要用于计算结构的振型和周期。研究表明,Ritz向量法的结构周期和振型与动力荷载的空间分布形式密切相关,其求解速度和计算精度都优于特征向量法[17]。本文采用 Ritz 向量法分别对减震结构模型和原结构模型进行模态分析,并提取其前3阶的结构周期和质量参与系数,结构模态分析结果如表2所示。由模态分析结果可知,加入屈曲约束支撑的减震结构与原结构相比,一阶振型周期降低了26%～28%,扭转系数降低了82%～85%,其中模型三(跨层单斜撑布置)降幅最大。但是设置了黏滞阻尼器的减震结构模型与原结构模型相比,其周期和质量参与系数均未有明显变化。这表明在大悬挑钢结构中合理布置屈曲约束支撑能够增加结构整体刚度,显著降低结构周期和扭转效应,而布置黏滞阻尼器对结构周期没有明显影响。

表2 结构模态分析结果

3 大悬挑钢结构消能减震性能分析

3.1 地震波的选取

在对结构进行时程分析时输入不合适的地震波,可能会导致分析结果相差数倍[18]。为了使时程分析的结果准确且具有参考性,根据结构所处的场地特征周期和抗震设防烈度等因素,选择了2条天然波和1条人工波。分别对原结构进行反应谱分析和时程分析,其基底剪力对比结果如表3所示。每条时程波计算得到的结构底部剪力均不小于用振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%,3条时程波计算所得结构的底部剪力平均值不小于用振型分解反应谱法求得的结构底部剪力的80%,计算结果满足规范要求,这说明所选地震波是合理的。后续将采用这3条地震波对各减震模型结构进行时程分析。

表3 基底剪力对比结果

3.2 最大层间位移角对比分析

本文对3种不同布置方式下的屈曲约束支撑减震模型和黏滞阻尼器减震模型分别输入人工波、天然波1和天然波2进行多遇和罕遇地震作用下的时程分析,得到各模型X和Y方向的最大层间位移角,对比研究其减震效果。

3.2.1 屈曲约束支撑

设置屈曲约束支撑时3种不同支撑形式的减震模型的最大层间位移角如表4所示。

表4 设置屈曲约束支撑时各模型最大层间位移角

由表4可知,在多遇地震作用下,3种不同支撑形式减震模型的最大层间位移角比原结构模型有所减小,但是这3种减震模型彼此之间的最大层间位移角没有明显的差距,这表明屈曲约束支撑只为结构提供了一定的刚度,并没有提供附加阻尼,支撑布置形式的不同对结构减震效果无明显影响。在罕遇地震作用下,3种模型的最大层间位移角相比原结构有明显减小,这表明在罕遇地震作用下,屈曲约束支撑能够发挥出足够的耗能能力,减震效果更好。在多遇和罕遇地震作用下,屈曲约束支撑采用V字型布置对大悬挑钢结构的楼层变形控制效果最好,其次是单斜撑。

3.2.2 黏滞阻尼器

设置黏滞阻尼器时3种不同布置形式的减震模型最大层间位移角如表5所示。

表5 设置黏滞阻尼器时各模型最大层间位移角

由表5可知,布置黏滞阻尼器后,3种减震模型的最大层间位移角较原结构均有明显的减小,这表明在多遇地震作用下,黏滞阻尼器发挥出较强的耗能作用。在罕遇地震作用下,减震结构的最大层间位移角平均减小率明显小于多遇地震作用下的平均减小率,这表明设置了黏滞阻尼器的大悬挑钢结构在多遇地震作用下减震效果更好。在罕遇地震和多遇地震作用下,3种减震模型的最大层间位移角变化规律均体现出采用V字型布置时结构减震效果最好,单斜撑次之,跨层单斜撑最差。

3.3 滞回曲线对比分析

为了分析设置在大悬挑钢结构中不同位置的屈曲约束支撑和黏滞阻尼器的耗能效果,分别取模型二(单斜撑)中编号为1、2、3、4位置处(见图4)的屈曲约束支撑和黏滞阻尼器的滞回曲线进行对比分析。经计算,3种波形作用下滞回曲线规律相似,但人工波下对比结果更为显著,限于篇幅,本文以输入人工波为例,分别绘制在多遇和罕遇地震作用下4个部位的屈曲约束支撑模型滞回曲线(见图5)和黏滞阻尼器模型滞回曲线(见图6)。

图4 屈曲约束支撑位置

a 1号屈曲约束支撑 b 2号屈曲约束支撑

a 1号黏滞阻尼器 b 2号黏滞阻尼器

3.3.1 屈曲约束支撑滞回曲线

由图5可知,在多遇和罕遇地震作用下,位于悬挑层部位的1号和2号屈曲约束支撑的滞回曲线形状基本上均为一条直线,说明这两个部位的屈曲约束支撑耗能能力基本为零。3号和4号屈曲约束支撑在罕遇地震下的滞回曲线图形逐渐开始饱满,即开始耗能,说明在悬挑部位设置屈曲约束支撑仅能增大悬挑部位的刚度,并不能很好地发挥屈曲约束支撑的耗能作用。而在悬挑层下方布置屈曲约束支撑能更好地发挥其耗能作用。因此,在实际工程中可根据最大层间位移角的大小布置屈曲约束支撑,充分发挥其耗能作用。

3.3.2 黏滞阻尼器滞回曲线

图6中不同部位黏滞阻尼器的滞回曲线形状与图5不同,在多遇和罕遇地震作用下,1～4号位置的黏滞阻尼器滞回曲线均非常饱满,这表明所有黏滞阻尼器构件均发挥了较好的耗能作用。悬挑层部位的1号和2号黏滞阻尼器滞回曲线较其他部位的饱满程度欠佳,说明悬挑层部位的黏滞阻尼器与其他部位相比耗能效果较差。3号和4号黏滞阻尼器在多遇地震作用下的滞回曲线相差不大,说明在多遇地震作用下两个部位的黏滞阻尼器耗能效果大致相同。

3.4 能量占比分析

为了进一步分析在多遇和罕遇地震作用下屈曲约束支撑和黏滞阻尼器在大悬挑钢结构中的耗能效果,得到耗能减震构件在不同布置形式之间的耗能差异,以人工波为例对各结构模型进行多遇和罕遇地震作用下的时程分析并计算耗能装置的耗能率,各模型耗能对比结果如表6所示。

表6 不同模型耗能对比

由表6可知,在多遇地震作用下,设置屈曲约束支撑的3种减震模型的耗能率分别为4.23%、10.98%、23.04%,支撑耗能占比逐渐增大。在罕遇地震作用下,3种模型的耗能率分别为40.54%、38.34%、35.46%,耗能占比逐渐减小。这表明布置了屈曲约束支撑的悬挑钢结构在罕遇地震下才能发挥出更好的耗能减震效果,采用V型布置形式支撑耗能占比最大,即耗能率最高。

与屈曲约束支撑不同,在多遇地震作用下,设置黏滞阻尼器的3种减震模型的耗能率分别为66.2%、61.4%、57.9%,耗能占比逐渐减小。在罕遇地震作用下,3种模型的耗能率分别为41.1%、34.3%、30.1%,比多遇地震作用时的耗能率有较为明显的减小。这说明在多遇地震作用下黏滞阻尼器可以发挥出优越的耗能减震性能,也是 V型布置时耗能减震最好、单斜撑次之。

4 结论

通过建立大跨度悬挑钢结构减震数值模型,针对耗能装置布置形式对大悬挑钢结构减震性能的影响展开研究,得出结论如下:

(1)设置屈曲约束支撑时,减震模型与原结构模型相比周期降低了27%左右,第一阶振型扭转系数降低了85%左右,表明合理设置屈曲约束支撑可以增加悬挑钢结构的刚度,显著降低结构的周期,减小扭转系数。设置黏滞阻尼器时,结构的周期和振型没有产生明显变化。

(2)对于大悬挑钢结构,通过布置屈曲约束支撑或黏滞阻尼器,可以有效减小结构在地震作用下的最大层间位移角,实现减震效果。其中,屈曲约束支撑在罕遇地震下减震效果更好,耗能率最大达到了40.54%,黏滞阻尼器在多遇地震下减震效果更好,耗能率最大达到了66.2%;在多遇和罕遇地震作用下,两种减震装置均在V型布置时减震效果最优,单斜撑次之。综合考虑结构用钢量和经济性,采用黏滞阻尼器V型布置的方案最优。

(3)布置于悬挑层部位的减震装置耗能能力较弱,随着布置位置逐渐下移,减震装置滞回曲线逐渐饱满,耗能能力逐渐增强。布置减震装置时可以此为参考,合理分配各位置耗能构件的数量,充分发挥耗能构件的性能。

(4)不同的减震装置类型、布置方案、布置位置对原结构刚度和经济性以及建筑效果会产生不同的影响,在设计时需综合考虑。