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只裘
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1 第 42 卷第 12 期 2016 年 12 月北京工业大学学报 JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol. 42 No. 12 Dec 多高层框排架 - 支撑结构减震设计及试验研究徐吉民 1, 高向宇 1, 王峰 1, 王勇强 2, 张凌伟 2 3, 张江霖 (1. 北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室, 北京 ; 2. 华北电力设计院工程有限公司, 北京 ; 3. 中国电力工程顾问集团公司, 北京 ) 摘要 : 为了解决多高层框排架 - 支撑结构存在的抗震能力较弱出现薄弱层等问题, 以某典型多高层框排架 - 支撑结构为实例, 基于防屈曲支撑 (buckling 鄄 restrained brace, BRB) 消能减震技术设计了 3 种减震方案, 并通过有限元软件对原结构及各方案进行了弹塑性分析. 分析结果表明 :3 种方案均可改善层间位移角分布, 提高结构抗震性能, 其中降刚度方案的经济性及减震效果均较好. 按 1 颐 10 缩尺比例分别设计制作原结构及降刚度方案试验模型, 通过静力往复加载试验, 验证了减震方案提高结构阻尼比及抗震性能的效果. 关键词 : 框排架 ; 防屈曲支撑 ; 消能减震 ; 抗震设计中图分类号 : TU 352 郾 1 文献标志码 : A 文章编号 : (2016) doi: / bjutxb Earthquake 鄄 reduction Design and Experimental Research of Multi 鄄 story and High Rise Frame 鄄 bent Structure With Braces XU Jimin 1, GAO Xiangyu 1, WANG Feng 1, WANG Yongqiang 2, ZHANG Lingwei 2, ZHANG Jianglin 3 (1. Beijing Key Lab of Earthquake Engineering and Structural Retrofit, Beijing University of Technology, Beijing , China; 2. North China Electric Power Design Institute Co. Ltd., Beijing , China; 3. China Power Engineering Consulting Group Corporation, Beijing , China) Abstract: To improve the seismic performance of the multi 鄄 story and high rise frame structure, three kinds of vibration isolation schemes were proposed in this paper based on the energy dissipation technique of BRB ( buckling 鄄 restrained brace, BRB ). Taking a typical multi 鄄 story and high rise frame 鄄 bent structure with braces as an example, the nonlinear finite element analysis was carried out to quantify the effect of these schemes. The research results show that all these schemes significantly improve the distribution of storey drift angle and seismic performance of the structure, and in which, the scheme of reduced stiffness achieved excellent performance both in economy and security. Verification of the model was carried out by a cyclic loading experiment of 1 颐 10 models of the frame 鄄 bent structure with braces and satisfactory agreement was obtained. Key words: frame 鄄 bent structure; buckling 鄄 restrained brace; energy dissipation and seismic reduction; seismic design 多高层框排架 - 支撑结构是由多层或高层框架局部排架和支撑共同组成的结构体系, 可为工业生产提供较大的工作空间安放大型工业及动力设施. 我国在高烈度抗震设防区建造大型火电厂主厂房的首选结构型式即为多高层框排架结构. 该结构虽然具有较高的结构抗侧刚度, 但普通钢支撑在强收稿日期 : 2016 鄄 04 鄄 13 基金项目 : 北京市自然科学基金重点资助项目 ( ) 作者简介 : 徐吉民 (1989 ), 男, 博士研究生, 主要从事建筑结构减震控制方面的研究, E 鄄 mail:xyzh889@ 163. com

2 年北京工业大学学报震下受压易产生屈曲现象,可能造成支撑本身及连接部件的破坏或失效,降低结构整体抗震性能. 由于生产设计的客观条件,主厂房还存在平面空间布设计地震分类一组,特征周期 0郾 65 s. 其中纵向布置支撑 153 根,横向布置支撑 151 根. 置不规则,质量刚度分布不均匀,局部荷载过大,薄弱部位多生等问题,难以达到国家标准所要求的多道抗震防线及性态化设计的要求. 文献[1鄄3] 分别对钢筋混凝土及钢结构火电厂主厂房子结构进行了拟动力及拟静力试验,试验结果表明,钢筋混凝土主厂房耗能效果较差,在高烈度抗震设防地区宜采用消能减震措施. 钢结构主厂房整体抗震性能较好, 但底部梁柱及支撑过早地进入塑性屈服使得整体结构的位移延性耗能能力未能得以充分发挥. 文献 [4] 设计了圆筒式铅挤压消能支撑替代普通支撑的子结构模型并进行拟静力试验,结果表明:消能支撑图 1 整体平面布置图框架体系具有良好的抗震性能,优于一般框架,但圆筒式铅挤压消能支撑的构造不甚合理易失稳,建议 Fig. 1 Dimensions of the prototype 采取改进措施. 防屈曲支撑( buckling鄄restrained brace,brb) 作为一种新型消能减震装置,在芯材屈服后支撑整体不发生屈服变形,可继续为主体结构提供稳定刚度与阻尼,避免主体结构发生大的不可逆变形. 国内外学者在 BRB 工程应用方面已取得较多研究成果 [5鄄9],形成较成熟的 BRB 消能减震技术,但对于多高层框排架 - 支撑结构体系的应用研究仍未见报道. 本文采用防屈曲支撑作为减震装置替换原结构普通支撑,并以天津某 MW 火力发电厂主厂房为背景工程,提出 3 种减震设计方案,通过有限元非线性分析得出最优的方案及支撑布置方式,并设计图 2 横向立面图制作框排架- 普通支撑( frame鄄bent brace,f鄄b) 及框排架- 防屈曲支撑( frame鄄bent BRB,F鄄BRB) 子结构 Fig. 2 Horizontal elevation 模型进行静力往复加载试验,通过试验研究了 2 种 1郾 2 原结构抗震性能分析的研究与设计提供参考. 构非线性 3D 模型. 楼板采用壳单元,梁普通支撑结构的抗震性能,为多高层框排架- 支撑消能减震采用有限元分析软件 SAP2000 建立主厂房结 1 工程概况及柱采用三维空间框架单元模拟. 钢材本构关系为 1郾 1 工程背景构构件屈服后的性能可通过离散铰进行模拟,框架多线性随动强化模型,整体结构阻尼比取 0郾 035. 结选取天津市某 MW 火力发电厂框排架 - 梁柱的塑性铰分别定义为弯矩铰 ( M3 ) 及耦合铰作为研究的背景工程. 结构平面图及横向立面图如对规范谱 ( c鄄s ) Elcentro New鄄hall Taft 支撑钢结构主厂房( 包含汽机跨除氧间及煤仓间) ( PMM),普通支撑采用修正后的轴力铰 [10]. 图 1 2 所示,其中主梁次梁 A ~ B 轴柱为工字型截 Hachinohe 天津及人工地震波进行波谱分析,结果板采用 C20 混凝土. 厂房最高处标高 61郾 05 m,建筑别为 1郾 221 1郾 051 0郾 937 s,考虑到该工程位于天津面,C D 轴柱为箱型截面,钢结构材料采用 Q345,楼设防类别乙类,抗震设防烈度 8 度,场地类别 IV 类, 如图 3 所示,琢为地震影响系数,结构前三阶周期分市,故选取天津 New鄄hall 及人工( Arti) 地震波进行

3 第 12 期 1843 徐吉民, 等: 多高层框排架-支撑结构减震设计及试验研究架-支撑结构通常应用于结构受力复杂层高及层间刚度不等的工业建筑,此时无法依据统一的刚度比作为防屈曲支撑的设计原则. 本文综合考虑框排架- 支撑结构受力特点和地震响应的复杂性,设计基于原刚度基于层间剪力及降刚度分配 BRB 三种减震方案. 2郾 2 减震方案框排架消能减震结构设计流程如图 5 所示. 基于原刚度方案中支撑刚度设计值采用原结构支撑考图 3 波谱分析 Fig. 3 Spectrum analysis 非线性时程分析. 由于结构纵向为常见框架结构, 主要针对结构横向进行抗震性能分析与消能减震设计. 图 4 为罕遇烈度地震下主厂房横向结构各层的层间位移角包络图. 可以看出:结构第 6 层为薄弱虑受压稳定性后所得轴向刚度值. 该方案便于传统框排架结构设计师熟悉与应用;基于层间剪力方案是在通过计算得到结构在等效地震作用下各层层间剪力的基础上,调整 BRB 布局分配,使结构层间位移角扭转响应更趋于合理;降刚度方案基于上述方案,进一步降低 BRB 刚度,以充分发挥 BRB 在设防地震和罕遇地震下耗能减震的优势,取得一定的经济效益. 层;天津波作用下的结构地震响应最大,天津波和 New鄄hall 波的最大层间位移角兹max 分别为 1 / 36 1 / 49, 均不满足抗震规范要求,需采取措施减小结构响应. 图 4 层间位移角包络图 Fig. 4 Story drift envelops 2 减震方案设计分析图 5 方案设计流程图 2郾 1 防屈曲支撑设计原则根据防屈曲支撑消能结构的设计思想,消能支撑应在主体结构进入塑性之前产生屈服,即 BRB 屈服位移小于主体结构的屈服位移. 为了保证防屈曲支撑较好地发挥振动控制和耗能减震作用,布置支撑时通常还需考虑支撑与主体结构刚度的匹配性. 文献[11] 中对不同刚度比( 防屈曲支撑抗侧刚度与主体结构各层层间刚度的比值) 的结构进行了非线性时程分析,结果表明:刚度比达到 4 后,刚度比对 Fig. 5 Design flowchart 防屈曲支撑轴向刚度抗侧刚度工作段钢芯截面积之间满足式关系式 [12] kb = EA b cos2 准 1 -字 lt k 字 + 浊 ( ) (1) 式中 k b E A b 准 l t k 字浊分别表示防屈曲支撑层间刚度弹性模量工作段钢芯截面积支撑倾角连结构性能的影响逐渐减弱. 但文中所研究的是层高接支撑的梁柱截面中心间距扣除构件及节点板尺及各层层间刚度一致的较规则型式结构. 而框排寸长度系数工作段长度系数连接段放大系数.

4 年北京工业大学学报为比较 3 种方案的耗能减震效果,在设计背景工程基于原刚度( P1) 与基于层间剪力( P2) 方案时纵向平动二阶横向平动三阶整体扭转. 由于减震方案仅替换横向普通支撑,故结构纵令所有防屈曲支撑工作段截面面积之和相同,降刚向一阶周期基本无变化,P3 方案降低了横向支撑刚屈曲支撑内核工作段截面面积如表 1 所示. 案变化较小,结果与方案的刚度变化一致. 度方案( P3) 基于 P2 方案设计. 最终各方案每层防度,故二阶周期较原结构增大 11郾 2%,其余 2 个方表 1 3 种方案各层支撑内核截面面积之和表 2 周期对比 Table 1 Total area of inner core of BRBs Table 2 Comparison of period m in three schemes 层数方案 P1 P2 0郾 456 0郾 336 0郾郾 512 0郾 499 0郾郾 598 0郾 485 0郾 437 0郾 399 0郾 178 0郾 178 0郾 146 0郾 049 方案 P1 P2 P3 1郾 221 1郾 209 1郾 215 1郾郾 937 0郾 921 0郾 938 1郾 008 1郾 051 1郾 024 1郾 037 1郾 169 0郾 346 2郾 3郾 2 动力非线性时程分析 0郾 137 结构进行非线性时程分析,主要讨论罕遇地震作用 0郾 012 原结构及减震方案在各地震波下的移时程曲同样选取天津,New鄄hall 及人工地震波对减震 0郾 102 0郾 017 s 1 2 0郾 279 0郾 196 原结构阶数 0郾 339 0郾 495 0郾 193 周期 P 下的计算结果,输入地震加速度幅值为 400 cm / s2. 2郾 3 方案分析模型中 BRB 采用连接单元模拟,力学本构关系采用 Wen 塑性模型,屈服后刚度比为 0郾 05. 2郾 3郾 1 模态分析线如图 6 所示,力及移最大值见表 3. 可以看出,各减震方案的力及移相比于原结构均显著减小,证明 BRB 可有效降低结构地震响应. 由于减小了支撑刚度,P3 方案中的顶点侧主厂房原结构及 3 种减震方案的前三阶周期结果对比如表 2 所示,4 种结构的振型均依次为一阶移稍大于 P1 P2 方案,但力显著降低,利于主体梁柱构件的进一步优化. 图 6 移时程曲线 Fig. 6 Top time history displacement curves 表 3 结构力与顶点最大位移 Table 3 The base shear and the maximum displacement of structure 原结构地震波天津波 New鄄hall 波人工波郾郾郾 P1 476郾郾郾 P2 459郾郾郾 P3 495郾 6 373郾 3 228郾 0

5 第 12 期 1845 徐吉民, 等: 多高层框排架-支撑结构减震设计及试验研究如图 7 所示,在 3 条地震波作用下,原结构的第开始屈服并产生 B 铰后,结构变形逐渐集中于薄弱所在处,施加于结构的荷载极大,在地震加速度作用震方案的塑性铰发展趋势基本一致, 表现为底层 6 层层间位移角均较大,这是由于该层为电厂煤斗下产生较大响应,且本层层高达 10郾 5 m,普通支撑易进入屈服,产生较大屈曲塑性变形,进而形成结构薄弱层. P1 方案中结构地震响应有所减小,结构薄弱层抗震能力显著提高,但各层层间位移角差别依然较大,P2 P3 层间位移角分布较合理,说明减震方层,该层支撑最终进入 E 铰即完全破坏阶段. 各减 BRB 首先进入塑性耗能状态,随着地震波加速度的不断增大,上层结构 BRB 逐步开始屈服耗能,底层梁柱亦出现 B 铰,而原薄弱层处的梁柱无塑性铰产生. 图 8 说明了减震方案可有效调整结构抗侧刚度及内力分布,使结构塑性铰分布更趋于合理. 案有效地调节了结构抗侧刚度,使之变化均匀,考虑经济效益,P3 为较优方案. 注:塑性铰发展程度茵(B) 吟(LS) 荫(E) 寅绎:BRB 屈服图 8 结构塑性铰发展 Fig. 8 Plastic hinge formations of structures 3 试验验证上述分析结果表明减震方案可有效提高框排架结构抗震性能. 但框排架- 普通支撑( F鄄B) 及框排架-消能支撑( F鄄BRB) 结构受力破坏机制恢复力特性等问题尚需通过试验验证. 研究选取上述原结构及 P3 方案中的舆轴( 见图 1) 为原型设计 2 个子结构实体对比模型. 模型设计比例 1颐 10,顶层结构等效为均布荷载施加至第 6 图 7 各方案层间位移角包络图 Fig. 7 Story drift envelops of plans 层顶板处,模型高度 4郾 51 m. 采用静力往复加载系统加载至相同最大位移值,竖向荷载通过重力砝码模拟,水平荷载通过液压千斤顶施加,见图 9. 完成的低周往复加载试验结果及对比研究结果观察天津波罕遇地震作用下同一结构部位塑性铰的分布及出现顺序,研究结构的破坏机制,如图 8 所示( 数字为塑性铰出现顺序). 可以看出,原结构塑性铰首先出现在底层及薄弱层支撑处,底层梁柱表明,F鄄B 结构在加载至较大位移时,底层普通支撑明显整体屈曲,受压时较受拉状态承载力大幅削弱, 最终破坏形态表现为底层梁柱焊缝开裂,柱脚发生平面外屈曲,排架柱出现扭转变形.

6 1846 北京工业大学学报 2016 年化趋势基本一致. 在同等位移条件下,F鄄BRB 较 F鄄 B 结构的阻尼比明显提高,体现了 BRB 在结构中所发挥的滞回耗能作用. 4 结论 1) 研究提出的基于原刚度基于层间剪力及降刚度分配 BRB 三种减震方案均可有效提高结构抗震能力,比较结构各层地震响应及经济效益,降刚度图 9 框排架-支撑结构模型试验 Fig. 9 Static test of frame鄄bent structures with braces F鄄BRB 在 F鄄B 结构支撑出现屈曲的同等加载工况下,底层支撑钢芯与套管产生明显的相对位移,而整体无屈曲,支撑最终破坏形式表现为连接端屈曲. 方案为较优方案. 2) 传统框排架-支撑结构各层支撑及薄弱层处在罕遇地震下的塑性变形较大,减震方案结构的塑性变形集中于防屈曲支撑及结构底层,符合规范抗震设防体系的思路. 3) 框排架-消能支撑( F鄄BRB) 子结构模型在拉图 10 为 2 个子结构模型的水平荷载-顶点侧移骨架压荷载下刚度变化基本一致,其阻尼比较框排架 - 大受拉承载力高于 F鄄BRB. 但 F鄄B 结构正负向最大加强. 曲线对比. 由于减震方案降低了支撑刚度,F鄄B 最位移处的荷载相差 13郾 7%,而 F鄄BRB 结构仅相差 0郾 5%,说明 F鄄BRB 结构进入塑性后的正负向刚度变化较一致,受压承载能力显著提高. 普通支撑( F鄄B) 显著提高,防屈曲支撑连接端建议 4) 多高层框排架- 支撑结构在层高较高,荷载较大的结构层易出现薄弱层,需采取措施降低结构响应. 建议采用防屈曲支撑对传统框排架- 支撑结构进行减震设计,可保证在结构承载力的前提下,较好地调节刚度分布,避免结构出现薄弱层. 参考文献: [1] 吴涛, 白国良, 刘伯权. 大型火力发电厂钢筋混凝土框排架主厂房结构抗震性能试验研究[ J]. 建筑结构学报, 2007, 28(3) : 46鄄52. WU T, BAI G L, LIU B Q. Experimental study on seismic 图 10 两结构荷载-位移骨架曲线 Fig. 10 Skeleton load鄄displacement curves of both 图 11 为 2 个子结构模型的等效黏滞阻尼比对比,可以看出,正负向加载时结构等效黏滞阻尼比变 behavior of RC frame鄄bent structure of a large鄄scale power plant [ J]. Journal of Building Structures, 2007, 28(3) : 46鄄52. ( in Chinese) [2] 薛建阳, 梁炯丰, 彭秀宁, 等. 大型火电厂钢结构主厂房框排架结构抗震性能试验研究[ J]. 建筑结构学报, 2012, 33(8) : 16鄄22. XUE J Y, LIANG J F, PENG X N, et al. Experimental study on seismic behavior of steel frame鄄bent structures of large thermal power plant main buildings [ J]. Journal of Building Structures, 2012, 33(8) : 16鄄22. ( in Chinese) [3] 薛建阳, 梁炯丰, 彭秀宁, 等. 大型火电厂钢结构主厂房框排架结构拟静力试验研究 [ J]. 建筑结构学报, 2012, 33(8) : 11鄄15. XUE J Y, LIANG J F, PENG X N, et al. Quasi鄄static test of steel frame鄄bent structures of large thermal power plant 图 11 结构等效黏滞阻尼比 Fig. 11 Equivalent viscous damping ratio of structures main buildings [ J]. Journal of Building Structures, 2012, 33(8) : 11鄄15. ( in Chinese) [4] 孙香红, 王社良, 苏三庆, 等. 大型火电厂纵向消能支

7 第 12 期徐吉民, 等 : 多高层框排架 - 支撑结构减震设计及试验研究 1847 撑框架结构 1 / 8 比例模型拟静力试验研究 [J]. 西安建筑科技大学学报 ( 自然科学版 ), 2010, 38 (3): 384 鄄 389. SUN X H, WANG S L, SU S Q, et al. Study on the pseudo 鄄 static test of a 1 / 8 scale model with the longitudinal RC energy 鄄 dissipation braces for a major thermal power plant [J]. Journal of Xi 爷 an University of Architecture & Technology ( Natural Science Edition), 2010, 38 ( 3 ): 384 鄄 389. (in Chinese) [5] 周建龙, 汪大绥, 姜文伟, 等. 防屈曲耗能支撑在世博中心工程中的应用研究 [J]. 建筑结构, 2009, 39(5): 29 鄄 33. ZHOU J L, WANG D S, JIANG W W, et al. Research on application of buckling restrained braces in the EXPO Center [J]. Building Structures, 2009, 39 (5): 29 鄄 33. ( in Chinese) [6] 黄海涛, 高向宇, 李自强, 等. 用附加防屈曲支撑钢筋混凝土框架加固既有钢筋混凝土框架抗震性能试验研究 [J]. 建筑结构学报, 2013, 34(12): 52 鄄 61. HUANG H T, GAO X Y, LI Z Q, et al. Experimental study on seismic behavior of concrete frame retrofitted with additional [ J]. Journal of Building Structures, 2013, 34 (12): 52 鄄 61. (in Chinese) [7] SABELLI R, MAHIN S, CHANG C. Seismic demands on steel braced frame buildings with buckling 鄄 restrained braces [J]. Engineering Structures, 2003, 25(5): 655 鄄 666. [8] FAHNESTOCK L A, SAUSE R, RICLES J M. Seismic response and performance of buckling 鄄 restrained braced frames [ J ]. Journal of Structural Engineering, ASCE, 2007, 133(5): 1195 鄄 [9] TREMBLAY R, BOULDUC P, NEVILLE R, et al. Seismic testing and performance of buckling 鄄 restrained bracing systems [ J ]. Canadian Journal of Civil Engineering, 2006, 33(2): 183 鄄 198. [10] 丁彩虹, 高向宇, 李杨龙, 等. 小高层 BRB 鄄混凝土框架结构可行性及减震效果研究 [ J]. 工程抗震与加固改造, 2016, 38(2): 94 鄄 100. DING C H, GAO X Y, LI Y L, et al. Study on feasibility and seismic mitigation effect of moderate high 鄄 rise BRB braced concrete frame buildings [ J ]. Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting, 2016, 38(2): 94 鄄 100. (in Chinese) [11] 贾明明, 张素梅. 无粘结支撑钢框架弹塑性时程分析 [J]. 哈尔滨工业大学学报, 2005, 37 ( 增刊 1): 10 鄄 13. JIA M M, ZHANG S M. Elastoplastic time 鄄 history analysis of steel frame with Unbonded Braces[ J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2005, 37( Suppl 1): 10 鄄 13. (in Chinese) [12] 高向宇, 张腾龙, 黄海涛, 等. 用防屈曲支撑改进钢框架 - 支撑结构抗震性能的设计方法 [ J]. 北京工业大学学报, 2010, 36(9): 1206 鄄 GAO X Y, ZHANG T L, HUANG H T, et al. The design method for improving the aseismatic performance of concentrically braced steel frames with buckling 鄄 restrained brace [ J]. Journal of Beijing University of Technology, 2010, 36(9): 1206 鄄 (in Chinese) ( 责任编辑郑筱梅 )

38 2013 1 1972 280mm 110mm 14 7-8 BRBF 4 HRB400 14mm 9-13 60mm 37. 44MPa 38. 80MPa 15-16 2 BRBF BRBF BRB BRBF Fig. 1 1 Dormitory building before and a

38 2013 1 1972 280mm 110mm 14 7-8 BRBF 4 HRB400 14mm 9-13 60mm 37. 44MPa 38. 80MPa 15-16 2 BRBF BRBF BRB BRBF Fig. 1 1 Dormitory building before and a 46 7 2 0 1 3 7 CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNAL Vol. 46 Jul. No. 7 2013 BJJQ-2010-169-01 2012-10-25 RC 100044 20 70 8 RC 1 2. 5 RC RC RC 66. 9% FEMA356 Perform-3D RC TU375. 4 A 1000-131X 2013 07-0037-10