屈曲约束支撑
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应用实例:

北京工业大学某大学生公寓由三栋结构组成,在平面上形成了一个“凹”字形的建筑群,三栋结构之间设置了防震缝,图5-1为该建筑群效果图。该建筑群总建筑面积6万多平方米,设有2层地下室,地上为16-18层,结构总高度56.2。初选结构体系为钢筋混凝土框架剪力墙。抗震设防烈度8度,抗震分组为第一组,场地类别II类,特征周期0.35s。结构抗震等级框架二级,剪力墙一级。

5-1 北京工业大学大学生公寓

该建筑群的西楼地下2层,地上17层,出屋顶1层,在1-2层设有裙房(图5-1),3层以上建筑平面尺寸为65 m ´ 14m(图5-2)。裙房与主体结构采用后浇带技术,未分缝,结构刚度及质量沿高分布有明显变化。由图5-2可以看出,该结构平面狭长,且因建筑布局的需要,纵向、横向剪力墙并未对称设置。经初步计算,存在一定的扭转现象,横向地震反应较大。为提高结构抗震性能、改进结构性态,经反复核算,决定增设屈曲约束支撑,选择具有不同屈服承载力和刚度特性的支撑,通过合理布局,调整结构振型、减小结构层间侧移、增加(设防烈度、罕遇烈度下的)结构附加等效粘滞阻尼比进行消能减震,可望达到预期效果。同时,酌情减少初设的剪力墙数量,部分横墙也不需要完全拉通,结构整体侧移刚度有所降低,减小了主体结构构件中的配筋量,也降低了基础的负担。综合比较得知此法不但明显改善结构性态指标,满足校舍建筑抗震设防目标较高的要求,还具有一定的经济效益。

减震设计方案
本工程确定的抗震设防目标是,小震主体结构处于弹性且舒适状态;中震主体结构基本处于弹性状态,最大层间侧移角1/300;大震可修,最大弹塑性层间侧移角1/120。
计算时,多遇地震烈度下的水平地震影响系数取0.16,设防烈度取0.48,罕遇烈度取0.90。相应地,时程分析所用地震加速度时程最大值分别取为70、210和400cm/s2。

                                                                                            

经优化得到的屈曲约束支撑布置方案见表5-1。该方案只在上部结构第3~15层布置屈曲约束支撑,在平面上看主要布置在轴线EL的位置上(图5-2)。第6~9层所布置的屈曲约束支撑的屈服承载力较高,达到了1500kN以上,其余各层沿高度逐渐变化。表5-1内支撑刚度考虑了工作段、过渡段和连接段支撑截面的变化;等效刚度是以中震所达到的侧移(按等效线性法)进行计算的;支撑轴向屈服力是经过优化比较计算得出的;支撑等效阻尼比按国家标准计算,包括了屈服后的耗能与变形能的计算,与等效刚度配套使用。

                          

设置屈曲约束支撑后结构扭转动力特性有所改善,这里主要介绍减震效果。根据方案计算出的楼层位移及层间位移角如图5-3所示。中震下结构层间位移角最大值出现在上部结构第6~9层,约为1/330,满足设防目标要求。还可看出,所得到的结构层间位移角沿结构高度分布比较均匀。此结果也说明,不论主体结构侧移刚度沿高度分布是否均匀,通过调整屈曲约束支撑的布局和参数,可以得到刚度均匀分布的结构体系,进而改善结构动力特性、减小地震反应。

值得注意的是,框-剪结构层间位移角最大值出现在结构中下部位,主要是由框-剪结构体系受力-变形特征决定的。这个现象与纯框架结构不同,后者的层间位移角分布是最大值发生在结构底部。

5-4给出了按上述方法计算得到的中震下结构层间剪力分配结果。可以看出,屈曲约束支撑承担的最大剪力发生在上部结构第6~9层,达到了结构最大层间剪力的20%~25%,所发生的位置也表明起到了减小层间位移的关键作用。框架和剪力墙共同承担的层间剪力一同绘于图中,主要是为了清楚表述屈曲约束支撑与框架-剪力墙的剪力比例。实际上,框架和剪力墙两者之间的剪力分配与大家熟悉的框-剪协同工作结果类似,即剪力墙在底部承担的剪力大,框架在中上部位承担的剪力较大。屈曲约束支撑安装见图5-5所示。

                              

                             

5.3、时程分析结果

使用SAP2000N非线性有限元分析软件建立了3D结构计算模型。其中,屈曲约束支撑采用非线性轴力单元,恢复力模型选用了程序中提供的Wen模型;框架梁、柱采用杆单元,在所关心的构件杆端设置了塑性铰;剪力墙单元因程序能力限定只采用了弹性单元;楼板采用壳体弹性单元。模型包含地下室,地下室顶板位置所对应的边界条件按设有侧限、允许竖向位移的约束单元近似处理,柱底最下部按完全固定约束处理。

根据《抗震规范》和本工程场地条件,选择了El-Centro、北岭Ta-Tarzana地震波、洛杉矶地震波和一条人工波。经计算比较可满足《抗震规范》对地震波峰值和频率构成的要求。四条波中以El-Centro波的反应最大。下面介绍该地震波输入计算的结果。

4-6为中震El-Centro波输入下某时刻屈曲约束支撑的内力大小沿高分布示意。可以看出,最大轴力发生在结构中部,经查,已有较多的支撑进入屈服耗能状态。

                        

5-7为中震El-Centro波输入下某时刻对应的结构侧移状态。可以看出,屈曲约束支                     

撑对于结构侧移曲线的形态有显著影响,各楼层位移角分布比较均匀,发挥了有效作用。除出屋顶建筑外,最大位移角为1/450,发生在第11层,满足设防目标的要求。

5-8分别为中震El-Centro波输入下上部结构第3715层屈曲约束支撑的轴力-轴向变形滞回曲线。可以看出,这些支撑均已进入屈服耗能阶段;第3层的受压轴向变形已达到3.8mm,所对应的层间位移角为1/560,支撑最大压力达到963.5kN(屈服承载力940kN,见表2);第7层的受压轴向变形较大,已达到4.1mm,所对应的层间位移角为1/518,支撑最大压力达到1581kN(屈服承载力1645kN);第15层的受压轴向变形为3.0mm,所对应的层间位移角为1/706,支撑最大压力达到576.7kN(屈服承载力470kN)。

 

                         

  

屈曲约束支撑通过屈服耗能,有效降低了作用于主体结构的地震作用,使层间位移限制在较低的水平。同时,屈曲约束支撑将塑性变形容纳于钢芯、钢管之内,不需要额外进行维修和维护。

5.4、节点及埋件考核试验

尽管理论计算表明在混凝土框架-剪力墙结构中合理设置屈曲约束支撑可以有效降低结构地震反应、提高设防目标水准,还能获得一定的经济效益,但在工程实践中还需许多详细、安全可靠的构造设计对此提供技术保障。例如,设置屈曲约束支撑的混凝土框架节点可靠性,连接屈曲约束支撑的预埋件安全可靠性,以及屈曲约束支撑产品的质量等等。对此,在下述系列试验研究中安排了相应的考核试验,可以直接或间接证明本工程所采用的相关技术是可靠的。

5-9为本工程中使用的组合热轧角钢屈曲约束支撑产品进行的反复荷载试验,支撑与试验支座采用螺栓连接。图5-10为试验得到的支撑轴力-轴向变形滞回曲线,支撑承载力、耗能指标、压-拉强度比、曲线平滑程度、极限变形能力以及低周疲劳性能等均达到较高水平。

            

支撑所需预埋件、连接件能否为支撑屈服消能提供安全的工作环境也是一个值得关注的技术问题。课题组完成的具有类似梁柱构造、节点构造及连接件构造的单层(模拟多层)屈曲约束支撑框架试验可以提供一定的参考。

5-11为设置人字形支撑的混凝土框架结构试验模型,模型比例为1:2。推算至原形,支撑的屈服承载力达到1440kN(人字形)和2220kN(单斜撑)。图5-12为该框架在反复荷载作用下的水平荷载-顶点侧移滞回曲线。试验表明,从加载开始直至结构最大侧移角达到1/38,混凝土框架和屈曲约束支撑协同工作表现优秀、预埋件及连接件工作可靠,滞回曲线耗能稳定。

                                

                          

为考察本工程中使用的预埋件钢筋焊点的可靠性,还对施工现场的埋件进行了抽样检查。检查的方法是将锚筋及其连接的预埋钢板切下进行拉伸试验,考察焊点破坏始于焊缝还是锚筋。

将上述埋件放入特殊的加载装置进行单向拉伸试验,全部样本均未发生焊缝破坏,荷载均加载至钢筋颈缩,说明焊点是可靠的。值得注意的是,连接屈曲约束支撑的预埋件在混凝土构件中是斜向放置的,只有图5-11所示试验设置才能较正确地还原埋件的真实受力状态(已证明是可靠的)。这里所做的锚筋焊点试验仅仅是考核焊点是否可靠,主要用于检验施工质量,并非专门针对预埋件的可靠性研究。

试验在北京工业大学工程结构实验中心完成,此次试验中结果表明:屈曲约束支撑试件的荷载与位移滞回曲线都十分饱满且成较标准梭形,完全没有捏拢和强度突变的现象,刚度大、延性好,具有优秀的耗能能力。

 

 

 

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