34 山东建筑大学学报 2018 年发展起到了引领与推动作用 [3] 自 GB 建筑抗震设计规范 [4] 中吸收消能减震技术以后, 此项技术在国内取得了长足的发展 JGJ 建筑消能减震技术规程 [5] 的颁布实施, 标志着国内消能减震技术的蓬勃发展和日趋完善

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介孤查
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1 第 33 卷第 4 期 2018 年 8 月 DOI: /sdjz 山东建筑大学学报 JOURNAL OF SHANDONG JIANZHU UNIVERSITY Vol.33 No.4 Aug 框架 BRB 体系教学楼抗震性能分析柳晓博, 孟凡涛, 阮兴群, 张玉明 ( 山东华科规划建筑设计有限公司, 山东聊城 ) 摘要 : 框架结构抗震性能的改善程度是框架结构优化设计的重要内容, 设置 BRB 是改善框架结构抗震性能的重要途径文章以高烈度区一栋 BRB 体系的框架结构教学楼为例, 采用有限元软件 ETABS 建立三维弹塑性分析模型, 并对其进行动力弹塑性分析, 研究其结构的抗震性能结果表明 : 罕遇地震下主体结构的弹塑性层间位移角 <1/50; 主体结构框架梁柱出现的塑性铰的状态基本处于承载力不致严重降低的水平, 主体结构的变形指标满足抗震性能的要求 ;BRB 在罕遇地震下能有效发挥屈服耗能作用, 其滞回曲线较为饱满, 能够起到抑制结构在罕遇地震下变形的作用关键词 : 框架 BRB 体系 ; 抗震性能 ; 动力弹塑性分析 ; 罕遇地震中图分类号 :TU318,TU352 文献标识码 :A 文章编号 : (2018) SeismicperformanceanalysisofframeteachingbuildingwithBRB LiuXiaobo,MengFantao,RuanXingqun,etal. (ShandongHuakePlanningArchitecturalDesignCo.,Ltd.,Liaocheng252000,China) Abstract:Theimprovementofseismicperformanceofframestructureisanimportantpartofthe optimizationdesignofframestructure.setingbrb isanimportantwaytoimprovetheseismic performanceofframestructure.basedontheframestructureteachingbuildingofabrbsystem in highintensityarea,athree dimensionalelastoplasticanalysismodelisestablishedbyusingthefinite elementsoftwareetabs,andthedynamicelastoplasticanalysisiscariedouttostudytheseismic performanceofthestructure.theresultsshowthattheelastic plasticinterlayerdisplacementangleof themainstructureunderrareearthquakeislesthan1/50.thestateoftheplastichingeappearingin themainframebeam columnisbasicalyatthelevelthatthebearingcapacityisnotseriously reduced,andthedeformationindexofthemainstructuresatisfiestherequirementoftheseismic performance.theyieldenergydisipationefectcanbeplayedefectivelyundertherareearthquake. Itshystereticcurveismoreplump,whichplaysafavorableroleinsuppresingthedeformationof structuresunderrareearthquakes. Keywords:framestructure BRB system;earthquakeresistantbehaviour;dynamicelasto plastic analysis;rareearthquake 0 引言 [1] 消能减震技术是在结构的某些部位设置消能减震器, 利用其耗散结构变形造成的振动能量, 使得建筑结构在地震作用下的反应明显减弱的技术目前此项技术在美国日本得到了广泛应用 Constantinou 等对设置阻尼器的结构进行了深入细致的分析 [2] 李爱群对国内外消能减震技术的应用进行了详细的介绍, 对推动国内消能减震技术的收稿日期 : 作者简介 : 柳晓博 (1975-), 男, 高级工程师, 学士, 主要从事结构抗震等方面的研究.E mail:liuxb@lcadi.com[ 通讯作者 ]

2 34 山东建筑大学学报 2018 年发展起到了引领与推动作用 [3] 自 GB 建筑抗震设计规范 [4] 中吸收消能减震技术以后, 此项技术在国内取得了长足的发展 JGJ 建筑消能减震技术规程 [5] 的颁布实施, 标志着国内消能减震技术的蓬勃发展和日趋完善 [6-11] 防屈曲支撑 BRB(BucklingRestrained Brace) 作为一种位移相关型消能装置, 由于其构造简单耗能能力稳定, 已广泛应用于建筑工程实践 [12-13] 叶列平等对高烈度区采用 BRB 的钢结构工程进行了动力弹塑性分析 [6], 对 BRB 在实际工程中的应用起到了参考借鉴作用但是, 目前在高烈度区的钢筋混凝土结构中设置 BRB 的工程实例分析较少, 因此, 文章对高烈度区设置 BRB 的一栋小学教学楼钢筋混凝土结构工程, 采用动力弹塑性分析, 研究其抗震性能, 为高烈度区的框架结构抗震性能化设计提供了一个实例 1 工程概况高烈度区的一栋小学教学楼, 总建筑面积为 8096m 2, 共 4 层, 无地下室, 山字形平面, 分成 2 个结构单元, 均采用钢筋混凝土框架 BRB 结构形 [4] 式工程的抗震设防烈度为 8 度 (0.2g), 所建区域的场地类别为 Ⅲ 类, 设计地震分组为第 1 组, 场地特征周期为 0.45s 其平面结构布置及 BRB 布置如图 1 所示 ( 屈曲约束支撑 BRB 采用耗能型 BRB [14], 多遇地震下不考虑 BRB 屈服耗能, 仅提供刚度, 设防地震罕遇地震时考虑 BRB 屈服耗能因此, 多遇地震下不考虑 BRB 提供给主体结构附加阻尼比的问题 ) 图 1 BRB 平面布置图 /mm 2 框架 BRB 体系教学楼有限元模型建立采用 PKPM 进行弹性计算,BRB 位置的布置主要按照如下原则考虑 :(1) 遵循整体均匀局部集中的原则, 并尽量对称布置 ;(2)BRB 尽量布置在结构的外围, 以便改善结构的扭转效应, 提高罕遇地震下 BRB 的耗能效率 ;(3) 尽量不在小跨布置 BRB, 否则 BRB 不能充分发挥其耗能作用 ;(4) 紧密结合建筑功能, 在不影响建筑功能的情况下, 尽量选择在有隔墙的位置布设 BRB, 以便 BRB 能够隐藏在后砌隔墙内, 使得建筑物交付使用后, 尽量不使 BRB 外露, 避免影响建筑美观多遇地震下的计算结果在满足 GB [4] 的位移角和位移比要求下, 控制 BRB 的应力比约为 0.7~0.8, 若应力比控制过高,BRB 在小震下过早屈服, 达不到预期的性能目标 ; 若应力比控制过低, 进入设防地震及大震后不能进入屈服状态, 起不到耗能保护主体结构的作用利用 YJK 中的模型导入导出接口功能将 PKPM 模型数据导入 YJK, 再导入 ETABS, 在其中进行罕遇地震作用下参数的定义及分析

3 第 4 期柳晓博, 等 : 框架 BRB 体系教学楼抗震性能分析框架梁柱构件的非弹性参数在框架梁和框架柱的端部集中设置塑性铰, 模拟框架梁和框架柱的非弹性变形 ETABS 中塑性铰的变形骨架曲线为 FEMA-356 [15-16] 倡导的四折线骨架曲线, 如图 2 所示框架梁和框架柱按指定的塑性铰属性, 可考虑塑性变形下框架梁和框架柱的变刚度特性分析 ETABS 显示的塑性铰性能阶段可直观地判别框柱梁和框架柱的损伤程度 BRB 的计算参数见表 1 图 5 单轴塑性 Wen 单元示意图表 1 BRB 参数表图 2 塑性骨架曲线示意图鉴于存在杆件内力耦合的效应, 在塑性变形骨架曲线的基础上, 利用 P-M2-M3 铰模拟框架柱端塑性铰,P-M3 铰模拟框架梁端塑性铰框架柱塑性铰轴力弯矩相关曲面如图 3 所示, 框架梁塑性铰弯矩转角曲线如图 4 所示楼层支撑编号屈服承载支撑轴线支撑等效截面力 /kn 长度 /mm 面积 /mm 2 1 BRB BRB BRB BRB BRB BRB BRB BRB 图 3 框架柱铰屈服面图 2.3 地震记录的选择按 GB [4] 要求, 筛选了 2 条人工波和 5 条实际地震波利用 ETABS 有限元分析程序内的地震波库, 所选择的地震波的信息见表 2 参照 8 度 (0.2g) 的反应谱, 由相应辅助程序随机生成两条人工波地震波与规范反应谱的对照如图 6 7 所示表 2 天然波记录信息表图 4 框架梁铰屈服面图 2.2 支撑构件非线性参数运用非线性连接单元模拟支撑的非线性行为在 ETABS 中采用 Wen 单元模拟支撑的非线性行为如图 5 所示 BRB 弹性刚度由支撑核芯面积弹性模量和支撑有效长度决定 ( 见表 1), 关于支撑等效面积的计算参考厂家提供的产品设计手册计算罕遇地震作用时, 在 ETABS 中把 YJK 软件导入的模型中的斜杆支撑改为非线性连接单元, 非线性连接单元为 Wen 塑性单元 [15-16] 所设计的地震波编号地震名称发生时间天然波 1 CPC_TOPANGACANYON_16_nor 天然波 2 CPC_TOPANGACANYON_74_nor 天然波 3 EMC_FAIRVIEW AVE_00_w 天然波 4 EMC_FAIRVIEW AVE_90_w 天然波 5 LWD_DELAMOBLVD_00_nor 有限元模型建立根据所分析结构的特点, 建立的三维 ETABS 模型如图 8 所示

３６山东建筑大学学报２０１８年图７７条波的平均谱与规范反应谱对比图图６７条地震波与规范反应谱对比图图８结构三维计算模型图８度０２ｇ罕遇地震作用下的弹塑性层间位移３框架ＢＲＢ体系教学楼抗震性能分析角接近ＧＢ５００１１２０１０４弹塑性层间位移角限值的１２其变形量约为弹性层间位移角限值的４倍

２条人工作用下结构的非线性变形状态研究主体结构在遭地震波记录分别按结构的ｘｙ向输入进行动力弹遇罕遇地震作用时的变形情况构件塑性发展状况塑性时程分析结构典型的框架梁和框架柱的塑性和主体结构整体的非弹性行为剖析８度０２ｇ罕铰分布如图９１０所示根据所出现的梁柱塑性铰遇地震下结构的最大弹塑性层间位移角整个结构状态亦可验证２节所述的支撑布置原则遭遇罕遇

4 ３６山东建筑大学学报２０１８年图７７条波的平均谱与规范反应谱对比图图６７条地震波与规范反应谱对比图图８结构三维计算模型图８度０２ｇ罕遇地震作用下的弹塑性层间位移３框架ＢＲＢ体系教学楼抗震性能分析角接近ＧＢ５００１１２０１０４弹塑性层间位移角限值的１２其变形量约为弹性层间位移角限值的４倍设防地震下层间位移角小于弹性层间位移角限值的采用ＥＴＡＢＳ软件进行计算并建立框架梁铰２倍满足ＧＢ５００１１２０１０４附录Ｍ１１２规定框架柱铰模拟框架梁和框架柱的塑性变形利用非的性能３的规范要求线性连接单元中Ｗｅｎ塑性单元模拟ＢＲＢ的耗能情３２结构损伤况１５通过弹塑性分析测验８度０２ｇ罕遇地震根据所选择的５条天然地震波记录和２条人工作用下结构的非线性变形状态研究主体结构在遭地震波记录分别按结构的ｘｙ向输入进行动力弹遇罕遇地震作用时的变形情况构件塑性发展状况塑性时程分析结构典型的框架梁和框架柱的塑性和主体结构整体的非弹性行为剖析８度０２ｇ罕铰分布如图９１０所示根据所出现的梁柱塑性铰遇地震下结构的最大弹塑性层间位移角整个结构状态亦可验证２节所述的支撑布置原则遭遇罕遇在８度０２ｇ罕遇地震作用下的耗能能力和ＢＲＢ地震作用时结构的小跨距处框架柱首先在柱底出在８度０２ｇ罕遇地震作用下的耗能特性现塑性铰而小跨距处的梁柱塑性铰状态比大跨处３１弹塑性层间位移角的梁柱塑性铰相对严重如图１０ｃｄ所示因按照８度０２ｇ罕遇地震多遇地震时程法４此在小跨距处不应布置ＢＲＢ因为此位置的框架梁反应谱法分析的结果对照ＧＢ５００１１２０１０的有和框架柱的延性较差ＢＲＢ的耗能效率较低设防关规定计算的结构罕遇地震下层间位移角ｘ向最地震下结构仅部分框架梁和框架柱出铰且塑性铰大为１８５ｙ向最大为１１１５设防地震下结构层Ｏ状态而且仅局部楼层的个别ＢＲＢ的状态处于Ｉ间位移角ｘ向最大为１２２５而ｙ向最大为１２２５构件出现屈服耗能现象ＢＲＢ变形较小故设防地

5 第 4 期柳晓博, 等 : 框架 BRB 体系教学楼抗震性能分析 37 震下结构损伤较轻根据动力弹塑性时程的计算结果分析可知, 主体结构在 8 度 (0.2g) 罕遇地震作用下, 框架梁和框架柱均普遍出现了塑性铰, 但大部分塑性铰处于 IO 或 CP 状态, 罕遇地震作用下由于 BRB 的屈服耗能作用, 消耗了一部分能量, 有利的缓解了框架梁和框架柱的耗能作用, 因此, 主体结构的框架梁和框架柱的塑性铰处于承载力非严重降低的状态图 9 x 向典型工况下 2-1 轴梁柱出铰状态图图 10 y 向典型工况下 2-6 轴处梁柱出铰状态图 3.3 BRB 滞回耗能 BRB 按 Wen 单元模拟, 并且考虑了连接的非线性性质, 由于设防地震下仅有个别楼层的 BRB 屈服耗能, 故整体结构中的 BRB 耗能效果不明显罕遇地震下典型工况的 BRB 滞回曲线如图 11 所示 BRB 在 8 度 (0.2g) 罕遇地震作用下, 能够进入屈服阶段耗能, 因此, 主体结构在 8 度 (0.2g) 罕遇地震作用下的变形较纯框架结构的变形减小, 使得框架梁和框架柱的塑性铰处于承载力非严重降低的状态图 11 BRB17 在典型工况作用下的滞回曲线图

6 38 山东建筑大学学报 2018 年 4 结论通过上述研究可知 : (1)BRB 的屈服耗能, 吸收了一部分地震能量, 缓解了框架梁和框架柱的耗能作用, 导致在罕遇地震下, 框架结构的层间位移角 <1/50 (2) 主体结构在框架梁端及框架柱端均不同程度地出现了塑性铰, 但框架梁柱塑性铰的状态基本处于承载力不致严重降低的水平, 主体结构的变形指标满足抗震性能的要求 (3)BRB 在罕遇地震下发生屈服耗能, 其滞回曲线较为饱满,BRB 耗能功能的发挥有效地保护了主体结构的框架梁和框架柱, 能够起到抑制结构在罕遇地震下变形的作用参考文献 : [1] 周锡元, 闫维明, 杨润林. 建筑结构的隔震减振和振动控制 [J]. 建筑结构学报,2002,23(2):2-12. [2] ConstantinouM C,SymansM D.Experimentalstudyofseismic responseofbuildingswith supplementalfluid dampers[j]. StructuralDesignofTalBuildings,1993,2(2): [3] 李爱群. 工程结构减振控制 [M]. 北京 : 机械工业出版社,2007. [4] GB , 建筑抗震设计规范 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2010. [5] JGJ , 建筑消能减震技术规程 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2013. [6] 叶列平, 马千里, 程光煜, 等. 西部机电科技商务中心钢结构消能减震计算分析 [J]. 工程抗震与加固改造,2005,27(3): [7] 裴星洙, 贺方倩. 高层消能减震钢框架结构最佳阻尼量分析 [J]. 土木工程学报,2010,53(S2): [8] 乐登, 周云, 邓雪松. 耗能减震结构中耗能器总耗能层间分配比例研究 [J]. 工程抗震与加固改造,2009,33(3): [9] 尹帮辉, 王敏庆, 吴晓东. 结构振动阻尼测试的衰减法研究 [J]. 振动与冲击,2014,33(4): [10] 王维凝, 阎维明, 彭凌云. 不同水准地震作用下铅消能器附加给结构的有效阻尼比及其设计取值研究 [J]. 工程力学,2014, 31(3): [11] 巫振弘, 薛彦涛, 王翠坤, 等. 多遇地震作用下消能减震结构附加阻尼比计算方法 [J]. 建筑结构学报,2013,34(12): [12] BrowAP,AikenDI,JafarzadehFJ.Buckingrestrainedbraces providethekeytotheseismicretrofitofthewalacef.bennet federalbuilding[j].modernsteelconstruction,2001,27(3): [13] 高杰, 徐自国, 任重翠, 等. 北京市轨道交通指挥中心 ( 二期 ) 屈曲约束支撑设计及动力弹塑性分析 [J]. 建筑结构学报,2014, 35(1): [14] 吴克川, 陶忠, 韦光兰, 等. 地震作用下防屈曲支撑减震结构附加有效阻尼比计算及变化规律研究 [J]. 振动与冲击,2016,35 (2): [15] 北京金土木软件技术有限公司.ETABS 中文版使用指南 [M]. 北京 : 人民交通出版社,2012. [16] 阮兴群, 孟凡涛, 柳晓博, 等. 某宿舍屈曲约束支撑框架消能减震设计 [J]. 吉林建筑大学学报,2017,4(3): ( 学科责编 : 赵成龙 ) 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 ( 上接第 23 页 ) [11] 倪铁权, 许成祥, 赵斌, 等. 碳纤维布及钢板复合加固震损方钢管混凝土框架抗震性能试验研究 [J]. 武汉大学学报 ( 工学版 ),2016,49(1): [12] 王欣, 陈海强, 李树明. 无计胶植筋后锚固连接的抗震性能试验研究 [J]. 工业建筑,2017,47(1): [13]GB , 混凝土结构设计规范 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2005. [14]GB , 建筑抗震设计规范 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2010. [15] JGJ/T , 建筑抗震试验方法规程 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2015. ( 学科责编 : 赵成龙 )

结构消能减震技术在建筑绿色改造中的应用

第五届既有建筑改造技术交流研讨会北京 2013 年 4 月 21-23 日 1 结构消能减震技术在建筑绿色改造中的应用 Application of Seismic Energy Dissipation Techniques in Green Renovation of Buildings 刘林 Outline 2 结构加固技术的分类 (Classification of Structural Strengthening