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/L形偏心框架結(jié)構(gòu)混合減震分析段紹偉,毛軸,陳敏,賀國京(中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,長沙410004)摘要:針對L形偏心框架結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則問題,通過在外圍框架設(shè)置屈曲約束支撐與粘滯阻尼器,采用串聯(lián)剛片模型建立了偏心結(jié)構(gòu)平扭耦聯(lián)動力方程。運用有限元方法構(gòu)建某國家工程實驗室三維模型,對比分析了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期比、扭轉(zhuǎn)位移比、層間位移角、層剪力最大值,研究了屈曲約束支撐與粘滯阻尼器混合減震方法對L形偏心框架結(jié)構(gòu)的減震效果。計算結(jié)果表明:屈曲約束支撐能較好的控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期比、扭轉(zhuǎn)位移比;而粘滯阻尼器能大幅度減小結(jié)構(gòu)的層間位移角,層剪力最大值,減震效果明顯.基金項目基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(51274258,51178473);湖南省研究生科技創(chuàng)新基金項目(CX2014B35)作者簡介:段紹偉(1967-),男,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震減震研究.E-mail:duanshaowei2014@關(guān)鍵詞:屈曲約束支撐;粘滯阻尼器;混合減震;層間位移角中圖分類號:TU352。1;TU375.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AAnalysisofL—shapedeccentricframestructuremixedenergydissipationDuanShaowei,MaoZhou,ChenMin,HeGuojing(CollegeofCivilEngineeringandMechanics,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004)Abstract:Aimingat(yī)L—shapedeccentricframestructurewithirregularplanblems,installbuckling-restrainedbraceandviscousdamperinouterframe,usingseries—parallelmassmodelestablishedtranslational-torsionalcouplingdynamicequationofeccentricstructures.Usingthefiniteelementmethodtobuildathree-dimensionalmodeloftheNationalEngineeringLaboratory,comparativeanalyzetheratiooftorsionperiodtotranslationperiod,torsionaldisplacementratio,storydriftandmaximumstoryshearofstructuretostudytheeffectofbuckling-restrainedbraceandviscousdampermixedenergydissipationmethodtotheL-shapedeccentricframe。Theresultsshowthatbuckling-restrainedbracecangoodcontroltheratiooftorsionperiodtotranslationperiod,torsionaldisplacementratioandviscousdampercangreatlyreducethestructuralstorydrift,maximumstoryshear,dampingeffectisquiteobvious.Keywords:buckling—restrainedbrace;viscousdamper;mixedenergydissipation;storydrift引言由于框架結(jié)構(gòu)能形成大的空間,出于對建筑使用功能的要求,框架結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用?!陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定,抗震設(shè)計的混凝土高層建筑,平面布置宜簡單、規(guī)則、對稱、減少偏心,但在場地受限和建筑要求的情況下,不可避免會形成平面不規(guī)則框架結(jié)構(gòu)。大量震害顯示[1—4],對于平面不規(guī)則的偏心結(jié)構(gòu),不僅會發(fā)生平面和豎向振動,還會發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動,扭轉(zhuǎn)反應(yīng)是造成結(jié)構(gòu)抗震性能退化,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌的重要原因。國內(nèi)外學(xué)者對結(jié)構(gòu)消能減震做了大量研究,如周云,劉鵬飛等[5-10]對粘滯阻尼器的減震設(shè)計方法及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了研究;郭彥林,劉建彬等[11-13]對結(jié)構(gòu)的耗能減震與防屈曲支撐鋼框架設(shè)計理論進(jìn)行了探討?!陡咭?guī)》對偏心結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期比、位移比、層間位移角等指標(biāo)均有規(guī)定的限值,對L形偏心框架而言,地震作用下存在明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),若僅在結(jié)構(gòu)中設(shè)置粘滯阻尼器,雖能滿足小大震作用下規(guī)范對層間位移角的要求,由于粘滯阻尼器并不能給結(jié)構(gòu)附加剛度因而周期比、位移比很難滿足規(guī)范要求;若僅在結(jié)構(gòu)中設(shè)置屈曲約束支撐,抗側(cè)剛度的增加使結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也隨之增大,后文對比發(fā)現(xiàn)僅采用屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)在小震作用下并不能確保層間位移角小于規(guī)范限值,且樓層剪力較原結(jié)構(gòu)有較大幅度的提高。本文運用屈曲約束支撐與粘滯阻尼器混合減震[14—15]的方法,研究L形偏心框架結(jié)構(gòu)的動力性能.1理論模型及運動方程1.1偏心結(jié)構(gòu)理論模型在一般的結(jié)構(gòu)抗震分析中,通常是將結(jié)構(gòu)簡化成平面模型,分別在其兩個主軸方向進(jìn)行計算,但這種分析方法僅適用于質(zhì)量中心與剛度中心重合的規(guī)則結(jié)構(gòu),而偏心結(jié)構(gòu)中的質(zhì)量中心與剛度中心往往存在偏心,地震時作用在質(zhì)量中心的慣性力將對結(jié)構(gòu)剛度中心產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩,迫使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的空間振動。因此對結(jié)構(gòu)采用以下假定:(1)在振動計算中,各層質(zhì)量都集中于樓板平面內(nèi);(2)不考慮樓板的變形,即認(rèn)為樓板在其平面內(nèi)無限剛;(3)忽略柱的軸向變形,樓板只產(chǎn)生水平方向的位移,通過上述假定即可得到如圖1所示的串聯(lián)剛片模型。圖1串聯(lián)剛片模型Fig.1Series-parallelmassmodel1。2平扭耦聯(lián)結(jié)構(gòu)運動方程及阻尼比的計算由串聯(lián)剛片模型得,偏心結(jié)構(gòu)的運動方程為:(1)(2)式中,為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣,為混合減震結(jié)構(gòu)的剛度矩陣,為混合減震結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣,、、分別為運動方向上的位移、速度、加速度,為地面運動加速度,是無控結(jié)構(gòu)的剛度矩陣,是屈曲約束支撐、粘滯阻尼器的等效水平剛度矩陣,是無控結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣,是屈曲約束支撐、粘滯阻尼器的附加阻尼矩陣。由于粘滯阻尼器不提供剛度,可由屈曲約束支撐芯材強(qiáng)度和橫截面積得到,關(guān)鍵在于計算附加阻尼矩陣.阻尼矩陣計算時,可取瑞雷阻尼矩陣,即:(3)式(3)中,、和、分別為結(jié)構(gòu)前兩階振型的基本頻率和阻尼比。結(jié)構(gòu)阻尼比包含兩部分:結(jié)構(gòu)自身阻尼比和消能裝置提供的附加阻尼比,根據(jù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、總剛度矩陣可求得其頻率向量和振型矩陣,即:(4)其中,、分別為混合減震結(jié)構(gòu)第i階振型頻率和特征向量.按照振型分解法將多自由度體系轉(zhuǎn)化為廣義單自由度體系:(5)由于消能裝置附加阻尼矩陣通常不滿足正交條件,近似處理時,忽略中的非正交項,即:(6)考慮結(jié)構(gòu)的平扭耦聯(lián)作用,解耦后可寫成:(7)式(7)中,、、為第j振型的位移、速度、加速度;(8)(9)式(8)、(9)中為振型參與系數(shù),為混合減震第j振型總阻尼比,、分別為第j振型結(jié)構(gòu)自身阻尼比、消能裝置提供的附加阻尼比。2工程算例分析2.1工程概況某國家重點工程實驗室為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),混凝土強(qiáng)度等級C30,一層層高4.5m,二~十層層高3.3m。梁截面尺寸250mm×600mm,柱截面尺寸600mm×600mm,板厚100mm。梁柱縱向受力鋼筋采用HRB400級鋼筋,箍筋與板中受力鋼筋采用HRB335級鋼筋。屈曲約束支撐采用十字形內(nèi)芯,Q235鋼材,內(nèi)芯面積As=1968mm2,外圍約束單元由混凝土與方鋼管套筒組成。粘滯阻尼器型號:最大行程±50mm,設(shè)計阻尼力800kN,設(shè)計速度540mm/s,阻尼系數(shù)800kN/(mm/s)0。15,阻尼指數(shù)0。15??拐鹪O(shè)防烈度為8度,設(shè)計基本地震加速度為0.20g,采用《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定時程分析時的峰值加速度:多遇地震取70cm/s2,罕遇地震取400cm/s2,地震分組為第一組,場地類別Ⅱ類,抗震設(shè)防為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類,安全等級二級,平面布置如圖2所示.圖2平面布置圖圖3三維模型Fig.2LayoutofthefloorFig.3Three-dimensionalmodel2.2有限元模型在midasGen軟件中建立模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時程分析,模型中梁柱結(jié)構(gòu)采用梁單元,樓板采用板單元,屈曲約束支撐采用人字形、粘滯阻尼器采用單斜布置方式。屈曲約束支撐小震作用下處于彈性狀態(tài),并不能夠消能減震,但它給結(jié)構(gòu)增加了一定的側(cè)向剛度,故用普通梁單元來模擬,截面面積與芯材面積相同,僅需釋放梁端部約束。大震分析時,屈曲約束支撐屈服耗能,用一般連接中的滯后系統(tǒng)來模擬;粘滯阻尼器小、大震分析時均采用一般連接中的粘彈性阻尼器來模擬,結(jié)構(gòu)三維模型如圖3。2。3結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)時程分析2。3.1多遇地震下彈性時程分析根據(jù)結(jié)構(gòu)自振周期、場地土類別選取El-centro波、Taft波和一條人工波進(jìn)行動力時程分析,三條地震波持續(xù)時間均為15秒,由于粘滯阻尼器(ViscousDamper)僅提供阻尼,不提供側(cè)向剛度,當(dāng)偏心結(jié)構(gòu)中僅設(shè)置粘滯阻尼器時,幾乎不能減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比及扭轉(zhuǎn)周期比,或者需要大量布置粘滯阻尼器才能達(dá)到滿意的減震效果,且粘滯阻尼器的價格較屈曲約束支撐高,因此在達(dá)到相同減震效果時,應(yīng)盡量多的選擇布置屈曲約束支撐。本文對原結(jié)構(gòu)(無控)、設(shè)置屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)(BRB)、設(shè)置屈曲約束支撐和粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)(BRB+ViscousDamper)的各項參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行對比分析。(1)扭轉(zhuǎn)周期比、扭轉(zhuǎn)位移比屈曲約束支撐的布置位置如圖4所示。方案1:BRB布置在橢圓位置;方案2:BRB布置在圓位置;方案3:BRB布置在矩形位置;方案1、2、3均為一~十層連續(xù)布置,方案4:一層BRB布置在矩形位置,二~十層BRB布置在橢圓位置。圖4BRB及粘滯阻尼器平面布置圖Fig.4LayoutofBRBsandviscousdampersarrangement表1和表2為midasGen有限元軟件計算四種方案的扭轉(zhuǎn)周期比、扭轉(zhuǎn)位移比。從表1中可以看出,無控結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期比為0.9224〉0.9,不滿足規(guī)范要求,布置屈曲約束支撐后,四種方案的扭轉(zhuǎn)周期比均小于0。9,由方案1、2、3、4中扭轉(zhuǎn)周期比的變化,不難發(fā)現(xiàn),屈曲約束支撐越遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的剛度中心,即屈曲約束支撐布置在結(jié)構(gòu)的端部,如方案1所示,其提供的抗扭剛度越大,扭轉(zhuǎn)周期比越小,若僅從周期比方面考慮,應(yīng)選擇方案1的布置方式.表1扭轉(zhuǎn)周期比Table1Theratiooftorsionperiodtotranslationperiod控制方案扭轉(zhuǎn)周期Tt/s平動周期T1/s扭轉(zhuǎn)周期比Tt/T1無控1.25411.38980.9224方案10。55661.31800.4223方案20。68681.27510。5386方案30。78101.24600.6268方案40.66321.27410.5205表2扭轉(zhuǎn)位移比Table2Torsionaldisplacementrat(yī)io樓層位移比限值無控結(jié)構(gòu)方案1方案2方案3優(yōu)化方案屋頂1.21.20821.10391.30121。29361.124510F1.21。20801.09951。30021.29401.12189F1。21。20761.09411。29741.29311。11868F1。21.20761。08771.29411.29271。11547F1.21。20811。07971.28991。29281.11236F1。21.20901.06901。28411。29361.10925F1.21.21051。05321。27501。29541。10644F1.21。21291。02581.25821.29891.10463F1。21.21661.03631.21711。31151.10722F1.21.21971。27591.03581.02321。13491F1。200000表2中無控結(jié)構(gòu)的位移比均超過規(guī)范限值1.2,方案1中,三層~屋頂位移比均減小,由于層高的影響,此時二層的扭轉(zhuǎn)位移比為1。2795,較原結(jié)構(gòu)有增大趨勢,且超過了規(guī)范限值1.2;方案2中三~十層的扭轉(zhuǎn)位移比均超過規(guī)范限值1。2,而二層的扭轉(zhuǎn)位移比較方案1有減小的趨勢;方案3中三~十層的扭轉(zhuǎn)位移比較原結(jié)構(gòu)均有所增大,二層位移比數(shù)值仍小于規(guī)范限值1。2。經(jīng)綜合考慮與軟件試算,最終確定BRB的優(yōu)化布置方案為方案4,其扭轉(zhuǎn)周期比、位移比見表1、表2,均小于規(guī)范限值。(2)層間位移角文獻(xiàn)[8]中陳敏、賀國京等對阻尼器在框架結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化布置進(jìn)行了研究,表明在框架底部兩層或者三層安裝粘滯阻尼器,即可取得滿意的減震效果,使之滿足規(guī)范的要求.本工程在一至三層安裝粘滯阻尼器,具體位置如圖4,三角形位置為粘滯阻尼器的平面布置位置。圖5、6、7為各地震波分別沿X向,Y向輸入時的層間位移角。由圖可知,無控結(jié)構(gòu)在三種地震波作用下,均有樓層層間位移角超過規(guī)范限值1/550,采用BRB優(yōu)化布置方案4后,圖6、7的層間位移角均小于1/550,而圖5中的層間位移角較無控結(jié)構(gòu)反而增大,超出了規(guī)范限值。研究結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)中設(shè)置BRB后,隨著支撐面積的加大,整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度增強(qiáng),在水平地震作用下,框架的側(cè)移有減小的趨勢;與此同時,整體結(jié)構(gòu)的剛度增大后,作用于結(jié)構(gòu)的地震力也隨之增強(qiáng),框架的水平側(cè)移有增大的趨勢。因此結(jié)構(gòu)中設(shè)置BRB后,其層間位移角變化并不呈現(xiàn)出規(guī)律性,而是表現(xiàn)出隨機(jī)性。采用BRB+ViscousDamper混合減震后,不僅能使周期比、位移比滿足規(guī)范,且能大幅度減小結(jié)構(gòu)的層間位移角,將其控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi),減小幅值最大達(dá)50%,減震效果顯著。X向輸入Y向輸入圖5El-Centro波沿X向、Y向輸入時的層間位移角Fig.5ThestorydriftofstructureunderEl-CentrogroundmotioninXdirection,YdirectionX向輸入Y向輸入圖6Taft波沿X向、Y向輸入時的層間位移角Fig。6ThestorydriftofstructureunderTaftgroundmotioninXdirection,YdirectionX向輸入Y向輸入圖7人工波沿X向、Y向輸入時的層間位移角Fig.7ThestorydriftofstructureunderartificialwaveinXdirection,Ydirection(3)層剪力最大值圖8為無控結(jié)構(gòu)在El-Centro波沿X向、Y向輸入時,各樓層剪力隨時間的變化圖,圖9為El—Centro波沿X向、Y向輸入時,各樓層剪力最大值。圖8層剪力時程曲線Fig.8Thestorysheartimehistories從圖9中可看出,無控結(jié)構(gòu)的剪力值較小,設(shè)置BRB后,剪力值大幅度提高,增幅最大達(dá)155%,驗證了地震力隨著結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的增加而增大,如果一味的增加BRB的數(shù)量,則又回到了傳統(tǒng)抗震設(shè)計思維“以硬碰硬”的老路中。采用屈曲約束支撐與粘滯阻尼器混合減震后,層剪力值大幅降低,接近無控結(jié)構(gòu)的層剪力值,這不僅提高了結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)剛度,且由于層剪力增幅較無控結(jié)構(gòu)并不大,抗側(cè)構(gòu)件數(shù)量的增加減小了框架柱承受的剪力,從而提高框架柱的安全儲備。X向輸入Y向輸入圖9El-Centro波沿X向、Y向輸入時的層剪力最大值Fig.9ThemaximumstoryshearofstructureunderEl-CentrogroundmotioninXdirection,Ydirection2.3.2罕遇地震下彈塑性時程分析驗算仍然選取兩條天然波El-Centro波、Taft波和一條人工波對混合減震結(jié)構(gòu)(BRB+ViscousDamper)進(jìn)行大震驗算。彈塑性時程分析時,梁柱構(gòu)件均采用塑性鉸模型,非彈性鉸特性值采用程序提供的修正武田三折線模型,軟件分析結(jié)果如圖10。圖中大震下層間位移角最大值為1/54,小于規(guī)范規(guī)定的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值1/50,故能滿足抗震規(guī)范三水準(zhǔn)中“大震不倒”的要求。圖10彈塑性層間位移角Fig。10Theelastic—plasticstorydrift3結(jié)論本文采用串聯(lián)剛片模型,建立了平扭耦聯(lián)結(jié)構(gòu)的動力方程。對一棟十層鋼筋混凝土L形偏心框架結(jié)構(gòu)在無控、設(shè)置屈曲約束支撐、聯(lián)合運用屈曲約束支撐與粘滯阻尼器的減震效果進(jìn)行了對比分析,研究結(jié)果表明:(1)通過優(yōu)化布置,屈曲約束支撐能有效地降低L形偏心框架結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期比,位移比,并將其控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi),從而減小偏心框架結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng);屈曲約束支撐位置越遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的剛度中心,周期比越小。(2)粘滯阻尼器在小大震作用下均能起到消能減震的作用,且耗能能力強(qiáng),在結(jié)構(gòu)底部三層安裝粘滯阻尼器即能較好的控制結(jié)構(gòu)的層間位移角,減小樓層剪力.(3)在L形偏心框架結(jié)構(gòu)中,綜合運用屈曲約束支撐與粘滯阻尼器對L形偏心框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行混合減震,使結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期比、位移比等參數(shù)均能滿足規(guī)范要求,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)減震方法中僅用單一消能器減震的不足,混合減震中兩種消能器的優(yōu)點都得到了充分發(fā)揮,減震效果明顯。參考文獻(xiàn)[1]MinoruWakabayashi。DesignofEarthquake-ResistantBuildings。NewYork:McCraw-HillCompany,1986:92-93[2]Rosenblueth,Meli.The1985earthquake:causesandeffectsinMexicoCity,Concreteint,1986,8(5):23-34[3]K.C.Tsai,C。P.Hsiao.Overviewofbuildingdamagein921Chi—chiEarthquake。EarthquakeEngineeringandEngineeringSeismology.2000,2(1):93-108[4]EarthquakeDisasterMitigationResearchCentre。ReportontheChi-chi,TaiwanearthquakeofSeptember,21,1999.Japan:Miki,HayogoPrefecture,2000:56-58[5]李創(chuàng)第

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