广州大学学报 自然科学版 60 两部板式双跑楼梯分别布置在结构的两侧 见图 1楼梯间平面图见图 2 楼梯间长 6 9m 宽 4 2m 休息平台与梯板宽度均为 1 8m 梯井宽度 为 0 6m结构设计参数见文献 3 梯梯构件按 11G1 0 1 2 现浇混凝土板式楼梯 4 图集要求进行 配筋 第 13

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1 第 13 卷第 4 期 2014 年 8 月 广州大学学报 ( 自然科学版 ) JournalofGuangzhouUniversity(NaturalScienceEdition) Vol.13 No.4 Aug 文章编号 : (2014) 罕遇地震下消能减震楼梯框架结构抗震性能研究 周云, 林松伟, 卢德辉, 石菲 ( 广州大学土木工程学院, 广东广州 ) 摘要 : 采用 PERFORM 3D 软件分别对设置消能减震楼梯 滑动楼梯和普通楼梯的框架结构进行罕遇地震下的地震反应分析. 结果表明 :1 消能减震楼梯削弱梯板在顺梯板方向的等效强支撑效应 ;2 与普通楼梯结构相比, 消能减震楼梯结构 X 向楼层剪力减小, 层间位移角和顶点位移相差不大 ;Y 向楼层剪力 层间位移角和顶点位移均减小. 与滑动楼梯结构相比, 消能减震楼梯结构 X 向楼层剪力相差不大, 层间位移角和顶点位移减小 ;Y 向楼层剪力除底层外, 其余楼层基本相同, 层间位移角和顶点位移减小 ;3 消能减震楼梯结构楼梯间构件损伤程度小于普通楼梯结构和滑动楼梯结构. 关键词 : 消能减震楼梯 ; 消能减震支座 ; 楼梯 ; 滑动楼梯 ; 抗震性能中图分类号 :TU375.4 文献标志码 :A 汶川地震以前的结构设计不考虑楼梯对整体结构的影响, 导致楼梯构件在地震中出现了严重破坏 [1-2]. 文献 [3] 提出了一种新型消能减震楼梯, 阐述了减震原理, 给出了 3 种构造方案, 分析了消能减震楼梯在多遇地震下对框架结构的消能减震效果. 本文采用 PERFORM 3D 软件分别设置消能减震楼梯 滑动楼梯和普通楼梯, 对某 6 层钢筋混凝土框架结构进行罕遇地震下的地震反应分析, 研究不同楼梯设置形式对整体结构和楼梯间构件 抗震性能的影响. 1 结构概况 某 6 层的钢筋混凝土框架结构, 结构平面图 立面图见图 1. 纵向长 29 4m, 横向宽 16 8m, 高度 22 1m, 底层层高 4 1m, 其余层高 3 6m. 抗震设防烈度为 8 度 (0 20g), 场地类别为 Ⅱ 类, 设计地震分组为第二组. 图 1 框架结构平面图 Fig.1 Planofframestructure 收稿日期 : ; 修回日期 : 基金项目 : 广东省自然科学基金资助项目 ( ); 广州市属高校 羊城学者 首席科学家项目 (10A026S) 作者简介 : 周云 (1965-), 男, 教授, 博士.E mail:zhydxs@163.com

2 广州大学学报 自然科学版 60 两部板式双跑楼梯分别布置在结构的两侧 见图 1楼梯间平面图见图 2 楼梯间长 6 9m 宽 4 2m 休息平台与梯板宽度均为 1 8m 梯井宽度 为 0 6m结构设计参数见文献 3 梯梯构件按 11G1 0 1 2 现浇混凝土板式楼梯 4 图集要求进行 配筋 第 13卷 纤维截面 见图 4 图 4 梁 柱纤维截面 F 4 B m dc u mf b c c PERFORM 3D中梁 柱构件截面组装有端部 塑性区模型和多段塑性模型 见图 5本文在分析 过程中采用端部塑性区模型 提高计算精度和计 算效率 图 5 梁 柱单元组合 F 5 B m c u m m c mb 图 2 楼梯间平面图 F 2 P f 楼梯间分别采用设置消能减震楼梯 滑动楼 梯和普通楼梯的方案消能减震楼梯的梯板下端 和梯梁之间断开并设置消能减震支座 3 构造方 案见图 3消能减震支座黏弹性层长宽高 为 800 mm 300mm 1 5mm 储 能 剪 切 模 量 G 2 0 2 N mm 损耗因子 η 0 7滑动楼梯梯板下端 和梯梁之间设置滑动支座 普通楼梯中梯板与梯 梁固接 1 2 梯板单元 本文采用通用墙单元对梯板进行模拟PER FORM 3D中通用墙单元使用剪切弹簧来计入剪 切变形 受力明确 简单 能模拟平面内 2个方向 的压弯和剪切的非线性 1 3 消能装置模型的建立 消能减震楼梯结构的消能减震支座由黏弹性 材料制作而成 在 PERFORM 3D中采用屈曲约束 支撑单元和黏滞阻尼单元并联进行模拟 即 K v 模 型 采 用 Buc k R db c 和 F u d D mp 单元并联 消能减震支座力学模型输入 参数按黏弹性层性能取值 5 2 材料本构的选择 1 混凝土本构模型 本文混凝土材料本构采用单轴受压应力应变 图 3 消能减震楼梯 F 3 E yd p b u f f 关系的 M d 模型 6 2 钢筋本构模型 钢筋在钢筋混凝土结构构件中主要承担抗拉 2 有限元模型建立 作用 在进行非线性计算分析时不考虑屈曲失稳 的问题钢筋材质拉压性能稳定且比较对称 应力 1 模型单元的选择 应变曲线一般都会存在弹性阶段 屈服阶段和强 1 1 梁 柱单元 化阶段 并在结构的延性设计中要求钢筋不会发 PERFORM 3D提供塑性铰模型和纤维模型的 梁 柱非线性单元模型 本文的梁 柱单元均采用 生拉断等脆性破坏本文钢筋的本构模型采用双 线性模型

3 第 4 期周云等 : 罕遇地震下消能减震楼梯框架结构抗震性能研究 61 3 地震波的选择 根据 建筑抗震设计规范 (GB ) [7] 规定, 选取 2 条天然地震波 ELCentro 波 EUR 波和 1 条人工波 RGB 波进行弹塑性分析, 分析时把加速度峰值调为 400cm s 结构弹塑性时程分析 4.1 楼层剪力对比分析 3 条地震波罕遇地震作用下各结构 X 向和 Y 向楼层剪力包络图见图 6. 从图 6(a) 可见, 消能减震楼梯结构和滑动楼梯结构 X 向楼层剪力相差不大, 明显小于普通楼梯结构, 基底剪力分别比普通楼梯减小 7 6% 和 8 5%. 可见在 X 方向, 消能减震楼梯和滑动楼梯对结构的刚度的影响基本相同, 普通楼梯梯板在该方向起等效剪力墙作用, 结构刚度增大. 从图 6(b) 可见, 消能减震楼梯结构 Y 向楼层剪力在上部 5 层与滑动楼梯结构基本相同, 底层增大, 消能减震楼梯结构和滑动楼梯结构小于普通楼梯结构, 基底剪力分别比普通楼梯结构减小 7 2% 和 16 3%. 可见在 Y 方向, 消能减震 支座提供有限刚度和滞回耗能的共同作用下, 结构楼层剪力比普通楼梯结构减小. 4.2 层间位移角对比分析 3 条地震波罕遇地震作用下各结构 X 向和 Y 向层间位移角包络图见图 7. 从图 7(a) 可见, 各结构 X 向层间位移角变化规律基本一致, 消能减震楼梯结构在上部 4 层小于滑动楼梯结构, 在下部 2 层相差不大, 在上部 4 层与普通楼梯结构相差不大, 在下部 2 层减小, 各结构层间位移角最大值均出现在第 2 层, 在该楼层, 消能减震楼梯结构和滑动楼梯结构分别比普通楼梯结构减小 3 1% 和 4 2%. 可见在 X 方向, 各结构在罕遇地震作用下层间位移角相差并不明显. 从图 7(b) 可见, 消能减震楼梯结构在上部 5 层小于滑动楼梯结构和普通楼梯结构, 在底层相差不大, 消能减震楼梯结构和滑动楼梯结构层间位移角最大值出现在第 2 层, 普通楼梯结构出现在第 3 层, 消能减震楼梯结构最大层间位移角分别比滑动楼梯结构和普通楼梯结构减小 9 4% 和 2 3%, 滑动楼梯结构比普通楼梯结构增大 7 9%. 可见在 Y 方向, 消能减震支座提供有限刚度和阻尼, 结构层间位移角减小. 4.3 顶点位移时程分析 3 条地震波罕遇地震下结构顶点位移时程规 图 6 X Y 向楼层剪力包络图 Fig.6 PeakstoryshearinXandYdirection 图 7 X Y 向层间位移角包络图 Fig.7 PeakstorydriftinXandYdirection

4 62 广州大学学报 ( 自然科学版 ) 第 13 卷 律基本一致, 以 ELCentro 地震波为例, 各结构 X 向和 Y 向顶点位移时程见图 8. 从图 8(a) 可见, 消能减震楼梯结构和普通楼梯结构 X 向顶点位移相差不大, 小于滑动楼梯结构, 消能减震楼梯结构和滑动楼梯结构顶点位移峰值分别比普通楼梯结构增大 1 6% 和 6 1%, 消能减震楼梯结构比滑动楼梯结构减小 4 2%. 从图 8(b) 可见, 消能减震楼梯结构 Y 向顶点位移小于滑动楼梯结构和普通楼梯结构, 顶点位移峰值分别比滑动楼梯结构和普通楼梯结构减小 7 6% 和 1 7%, 滑动楼梯结构比普通楼梯结构增大 6 4%. 图 8 X Y 向顶点位移时程对比 Fig.8 Comparisonofroofdisplacementtime historyinxand Ydirection 4.4 楼梯间构件性能评估 根据 建筑抗震设计规范 (GB ) [7] 和 高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ3 2010) [8] 把构件的性能定性为无损坏 轻微损坏 轻度损坏 中度损坏 比较严重破坏和严重破坏 6 个阶段, 对楼梯间构件性能进行评估. 本文 [9-10] 采用塑性变形与屈服应变的比值给出各个性能水平的对应标准, 构件性能评价的参考标准见表 1. 对于表 1 所给出的参考标准, 钢筋以拉应变为主, 钢材可同时考察拉压应变, 根据塑性应变和损伤系数得出结果不一致时取不利的结果. 表 1 构件性能评价参考标准 Table1 Componentperformanceevaluationstandard 钢筋塑性应变与混凝土性能水平屈服应变的比值损伤系数无损坏 0 0 轻微损坏 0~1 0 轻度损坏 1~3 0 中度损坏 3~6 <0.2 比较严重破坏 6~12 0.2~0.5 严重破坏 >12 >0.5 通过对比分析可知,3 条地震波罕遇地震作用下各结构楼梯间构件性能状态规律基本一致, 且结构主要破坏集中在底部 3 层, 以 ELCentro 地震波为例, 对底部 3 层楼梯间构件性能进行评估. 楼梯间框架梁 : 消能减震楼梯结构 滑动楼梯结构和普通楼梯结构底部 3 层 X 向框架梁均产生轻度损坏 ;Y 向分别有 8 根 12 根和 8 根框架梁产生轻度损坏. 楼梯间框架柱 : 消能减震楼梯结构 滑动楼梯结构和普通楼梯结构底部 3 层 X 向分别有 3 根 4 根和 8 根框架柱达到轻度损坏, 普通楼梯结构在二 三层均有 1 根框架柱产生中度损坏 ;Y 向分别有 12 根 10 根和 18 根框架柱达到轻度损坏, 普通楼梯结构在二 三层均有 1 根框架柱产生比较严重破坏. 梯柱 : 消能减震楼梯结构 滑动楼梯结构和普通楼梯结构底部 3 层 X 向分别有 3 根 5 根和 5 根梯柱达到比较严重破坏, 普通楼梯结构有 1 根梯柱在底层产生严重破坏 ;Y 向分别有 8 根 10 根和 12 根梯柱达到比较严重破坏, 普通楼梯结构有 9 根梯柱产生严重破坏. 休息平台梁 : 消能减震楼梯结构和滑动楼梯结构未产生破坏, 普通楼梯结构 X 向和 Y 向底部 2 层的休息平台梁均产生严重破坏. 梯板 : 消能减震楼梯结构和滑动楼梯结构未产生破坏, 普通楼梯结构 Y 向在层间位移角较大的第二 三层产生轻度损坏. 消能减震楼梯提供有限刚度和阻尼, 削弱梯板的等效强支撑效应, 耗散地震能量, 减小结构地震反应, 有效保护楼梯间构件的安全. 对各结构构件非线性耗能进行分析, 进一步探讨消能减震支座在罕遇地震作用下的耗能效果. 通过对比分析可知,3 条地震波罕遇地震作用

5 第 4 期周云等 : 罕遇地震下消能减震楼梯框架结构抗震性能研究 63 下各结构构件耗能规律基本一致, 以 ELCentro 地震波为例, 各结构构件 X 向和 Y 向非线性耗能见表 2. 从表 2 可知, 在 X 向地震作用下, 消能减震楼梯结构输入总能量 框架柱 框架梁和楼梯构件非线性耗能均小于滑动楼梯结构和普通楼梯结构, 框架柱 框架梁和楼梯构件耗能分别比滑动楼梯结构减小 13 0% 4 8% 和 5 4%, 分别比普通楼梯结构减小 27 7% 2 1% 和 10 2%, 消能减震支座耗散能量占结构总能量的 6 3%. 可见在 X 方向, 消能减震楼梯结构框架柱 框架梁和楼梯构件损伤程度低于滑动楼梯结构和普通楼梯结构. 在 Y 向地震作用下, 消能减震楼梯结构和滑动楼梯结构总能量小于普通楼梯结构, 消能减震楼梯结构框架柱 框架梁和楼梯构件非线性耗能分别比普通楼梯结构减小 35 1% 2 1% 和 65 0%, 框架柱和框架梁非线性耗能分别比滑动楼梯结构减小 19 8% 和 16 1%, 消能减震支座耗能占总能量的 16 5%. 可见在 Y 方向, 消能减震楼梯结构框架梁 框架柱和楼梯构件损伤程度小于普通楼梯结构, 框架梁和框架柱损伤程度小于滑动楼梯结构. 表 2 构件非线性耗能 ( 10e 8 kn m -1 ) Table2 Absolutenonlinearenergy( 10e 8 kn m -1 ) 消能减震滑动楼普通楼项目楼梯结构梯结构梯结构 X 向总能量 框架柱耗能 框架梁耗能 楼梯构件耗能 消能减震支座耗能 2.06 Y 向总能量 框架柱耗能 框架梁耗能 楼梯构件耗能 消能减震支座耗能 6.21 图 9 为 ELCentro 波在不同方向罕遇地震作用下 1 号楼梯间第二层休息平台处消能减震支座 的滞回曲线, 从图 9 可见, 消能减震支座滞回曲线均较饱满, 体现出良好的耗能能力. 图 9 消能减震支座滞回曲线 Fig.9 Hysteresiscurveofviscoelasticlayer 5 结论 本文通过对不同楼梯设置方案的钢筋混凝土框架结构进行罕遇地震下的地震反应分析, 得出以下结论 : (1) 消能减震楼梯削弱梯板在顺梯板方向的等效强支撑效应. (2) 与普通楼梯结构相比, 消能减震楼梯结构 X 向楼层剪力减小, 层间位移角和顶点位移相差不大,Y 向楼层剪力 层间位移角和顶点位移均减小 ; 与滑动楼梯结构相比, 消能减震楼梯结构 X 向楼层剪力相差不大, 层间位移角和顶点位移减小, Y 向楼层剪力除底层外, 其余楼层基本相同, 层间位移角和顶点位移减小. (3) 消能减震楼梯结构楼梯间构件损伤程度小于普通楼梯结构和滑动楼梯结构. 参考文献 : [1] 薛彦涛, 黄世敏, 姚秋来, 等. 汶川地震钢筋混凝土框架结构震害及对策 [J]. 工程抗震与加固改造,2009,31(5): XUEYT,HUANGSM,YAOQL,etal.SeismicdamageanddesignconceptfromthebuildingsofRCframestructurein Wenchuanearthquake[J].EarthResEnginRet,2009,31(5): [2] 沈靓, 柳炳康, 张瑜中, 等. 汶川地震中框架楼梯典型震害分析与有限元计算 [J]. 工程抗震与加固改造,2010,32(4):

6 64 广州大学学报 ( 自然科学版 ) 第 13 卷 SHENL,LIUBK,ZHANGYZ,etal.Typicalseismicdamageanalysisandfiniteelememtcalculationofstairinframein Wenchuanearthquake[J].EarthResEnginRet,2010,32(4): [3] 周云, 林松伟, 卢德辉, 等. 消能减震楼梯的减震原理与减震效果分析 [J]. 工程抗震与加固改造,2014,36(3):6 14. ZHOUY,LINSW,LUDH,etal.Theanalysisoftheprincipleandtheefectoftheenergydisipationbuferingstair[J]. EarthResEnginRet,2014,36(3):6 14. [4] 国家建筑标准设计图集 11G101 2[S]. Nationalbuildingstandarddesignatlas11G101 2[S]. [5] 周云. 粘弹性阻尼减震结构设计 [M]. 武汉 : 武汉理工大学出版社,2006. ZHOUY.DesignofViscoelasticdampingstructure[M].Wuhan:WuhanUniversityofTechnologyPres,2006. [6] MANDERJB,PRIESTLEYM JN,PARKR.Theoreticalstres strainmodelforconfinedconcrete[j].jstructengin, ASCE,1988,114(8): [7] GB 建筑抗震设计规范 [S]. GB Codeforseismicdesignofbuilding[S]. [8] JGJ 高层建筑混凝土结构技术规程 [S]. JGJ3 2010Technicalspecificationforconcretestructuresoftalbuilding[S]. [9] 上海现代建筑设计 ( 集团 ) 有限公司技术中心. 动力弹塑性时程分析技术在建筑结构抗震设计中的应用 [M]. 上海 : 上海科学技术出版社,2013. ShanghaiModernArchitecturalDesignTechnologyCenter.Dynamicelastic plastictimehistoryanalysisoftheapplicationof thetechnologyinseismicdesignofbuildingstructures[m].shanghai:shanghaiscientificandtechnicalpublishers,2013. [10] 陈学伟. 剪力墙结构构件变形指标的研究及计算平台开发 [D]. 广州 : 华南理工大学,2011. CHENXW.Researchondeformationlimitstateofcomponentsofshear walstructureanddevelopmentofthecomputing platform[m].guangzhou:southchinauniversityoftechnology,2011. Seismicperformanceoftheframestructureincorporate energy disipatedstairsunderrareearthquake ZHOU Yun,LIN Song wei,lu De hui,shifei (SchoolofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China) Abstract:Thispaperpresentsthecomparisonsandanalysesofseismicresponsesofthreeframestructurese quippedwithcommonstairs,energy disipatedstairsandslidingstairsunderrarely occuredearthquake.the analysisresultsindicatethat:1theenergy disipatedstairscanweakentheequivalentstrongsupportefectof commonstairsalongstair boarddirection;2comparedwiththecommonstairsstructure,thestructureofincor porateenergy disipatedstairsisofdecreasedstoreyshearforces,alongwiththesimilarinter storeydriftsand topdisplacementsinxdirection,whileuniversalyreducedstoreyshearforces,inter storeydriftsandtopdis placementsinydirection;however,comparedwithslidingstairsstructure,thestructureofincorporateenergy disipatedstairsisoftheapproximatelysamestoreyshearforces,aswelasthedecreasedinter storeydriftsand topdisplacementsbothinxdirectionandydirection;3theenergy disipatedstairsstructurehaslesdamage instairscomponentsthanthecommonstairsstructureandslidingstairsstructure. Keywords:energy disipatedstairs;energydisipationbearing;stairs;slidingstairs;seismicperformance 责任编辑 : 周全

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