减 震 技 术 * 青 岛 北 站 西 广 厅 减 振 设 计 张 志 强 1,2, 胡 心 一 1,3, 张 相 勇 4, 苏 冠 兴 (1 东 南 大 学 土 木 工 程 学 院, 南 京 210096;2 东 南 大 学 混 凝 土 及 预 应 力 混 凝 土 结 构 教 育 部 重 点 实 验 室, 南 京 210096;3 北 京 城 建 设 计 研 究 总 院, 北 京 100037;4 北 京 市 建 筑 设 计 研 究 院 有 限 公 司, 北 京 100045;5 江 苏 省 苏 科 建 设 技 术 发 展 有 限 公 司, 南 京 210008) [ 摘 要 ] 针 对 青 岛 北 站 西 广 厅 的 振 动 舒 适 度 和 结 构 地 震 响 应 过 大 的 问 题, 建 立 了 整 体 有 限 元 模 型, 对 结 构 进 行 了 动 力 特 性 分 析 以 IABSE 建 议 的 单 人 步 行 激 励 荷 载 为 基 础, 确 定 了 分 析 工 况, 并 对 该 观 景 平 台 进 行 了 人 行 荷 载 模 拟, 通 过 时 程 分 析 法 对 其 进 行 了 振 动 舒 适 度 分 析, 结 果 表 明, 利 用 该 方 法 设 计 MTMD 减 振 系 统 可 以 有 效 地 控 制 结 构 的 竖 向 振 动, 最 大 减 振 率 达 到 50%~56%, 同 时 也 使 各 个 工 况 的 加 速 度 峰 值 达 到 了 控 制 目 标 屈 曲 约 束 支 撑 (BRB) 在 地 震 时 有 良 好 的 耗 能 能 力 延 性 和 滞 回 性 能, 采 用 BRB 减 震 体 系 后 的 分 析 计 算 结 果 表 明, 屈 曲 约 束 支 撑 在 罕 遇 地 震 作 用 下 通 过 自 身 的 耗 能 降 低 了 结 构 自 身 的 地 震 响 应 ; 同 时, 屈 曲 约 束 支 撑 的 滞 回 曲 线 饱 满, 说 明 耗 能 充 分, 从 而 有 效 改 善 了 结 构 的 抗 震 性 能, 显 著 提 高 了 结 构 的 抗 震 承 载 能 力 [ 关 键 词 ] 青 岛 北 站 ; 人 体 舒 适 度 ; 多 重 调 频 质 量 阻 尼 器 ; 屈 曲 约 束 支 撑 ; 耗 能 ; 弹 塑 性 分 析 1,5 Vibration reduction design on west wide hall of Qingdao North Railway Station Zhang Zhiqiang 1, 2, Hu Xinyi 1, 3, Zhang Xiangyong 4, Su Guanxing 1, 5 (1 School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2 Key Laboratory of C&PC Structure, Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096,China; 3 Beijing Urban Engineering Design & Research Institute, Beijing 100037, China; 4 Beijing Institute of Architectural Design, Beijing 100045, China; 5 Jiangsu Suke Construction Technology Co., Ltd., Nanjing 210008, China) Abstract: Considering the problem of vibration serviceability and large seismic response of west wide hall of Qingdao North Railway Station, a finite element model was established and the vibration properties of the structure were analyzed. Based on the IABSE data of single person walking loading, analysis working conditions were determined and the human induced loading of the viewing platform was simulated. Then the vibration serviceability of the structure was analyzed by time history analysis method. The results show that the MTMD system designed by this method can control the vertical vibration of the structure effectively with maximum vibration reduction rate of 50%~56%, and peak values of the acceleration in each working condition reach the control target. The Buckling Restrained Brace(BRB) has good energy dissipation ability, ductility and hysteretic behavior during earthquake. Analysis and calculation results show that the seismic response of the structure is reduced by the energy dissipation of the BRB under rare earthquake, and the plump hysteretic curves show good energy dissipation performance, so the BRB can effectively improve seismic performance and seismic bearing capacity of the structure. Keywords: Qingdao North Railway Station; human serviceability; MTMD; Buckling Restrained Brace; energy dissipation; elastic plastic analysis 0 引 言 青 岛 北 站 西 广 厅 工 程 总 层 数 为 三 层, 一 二 层 为 混 凝 土 框 架 结 构, 顶 层 为 观 景 平 台, 结 构 形 式 为 钢 屋 架, 钢 屋 架 的 跨 度 较 大, 竖 向 刚 度 较 小 经 计 算, 结 构 的 前 几 阶 竖 向 振 动 频 率 与 人 的 一 般 步 行 频 率 相 近, 因 此 当 大 量 人 群 在 结 构 上 活 动 时, 容 易 造 成 共 振 尽 管 结 构 的 强 度 满 足 要 求, 不 会 发 生 因 强 度 不 足 而 引 起 的 破 坏, 但 是 因 为 结 构 共 振 引 起 的 加 速 度 振 幅 过 大, 超 过 人 体 舒 适 度 耐 受 极 限, 极 易 在 人 的 心 理 上 造 成 恐 慌 [1,2] 普 通 支 撑 受 压 会 产 生 屈 曲 现 象, 当 支 撑 受 压 屈 曲 后, 其 刚 度 和 承 载 力 急 剧 降 低, 而 且 在 反 复 荷 载 作 用 下 滞 回 性 能 和 耗 能 能 力 差 而 同 样 是 轴 心 受 力 构 件, 屈 曲 约 束 支 撑 可 通 过 特 殊 构 造 来 避 免 支 撑 在 压 力 作 用 下 出 现 屈 曲, 从 而 大 大 提 高 支 撑 的 承 载 力, 进 而 解 决 支 撑 受 压 屈 曲 导 致 滞 回 耗 能 差 等 问 91
Fp/G 题 屈 曲 约 束 支 撑 在 中 震 和 大 震 作 用 下, 通 过 自 身 屈 服 耗 能 可 以 有 效 地 减 小 结 构 的 地 震 反 应 屈 曲 约 束 支 撑 源 于 美 国,20 世 纪 七 八 十 年 代 成 熟 于 日 本, 目 前 在 日 本 美 国 已 得 到 广 泛 应 用 近 些 年, 随 着 对 结 构 消 能 减 震 的 研 究 不 断 深 入, 屈 曲 约 束 支 撑 也 在 我 国 的 一 些 工 程 中 得 到 了 应 用 本 文 的 减 振 设 计 包 括 两 部 分 : 即 考 虑 人 体 舒 适 度 的 人 行 荷 载 MTMD 减 振 设 计 和 基 于 性 能 的 地 震 作 用 下 BRB 减 震 设 计 通 过 MTMD 体 系 对 该 结 构 进 行 人 行 荷 载 MTMD 减 振 分 析 ; 同 时 采 用 屈 曲 约 束 支 撑 进 行 消 能 减 震 设 计, 分 析 了 其 耗 能 原 理, 并 对 结 构 在 多 遇 和 罕 遇 地 震 作 用 下 的 动 力 响 应 进 行 了 对 比, 同 时 给 出 了 结 构 塑 性 铰 开 展 情 况 以 及 BRB 的 滞 回 曲 线 1 有 限 元 分 析 模 型 及 动 力 特 性 分 析 采 用 MIDAS/Gen 程 序 建 立 青 岛 北 站 西 广 厅 有 限 元 模 型, 如 图 1 所 示 计 算 按 三 维 空 间 结 构 进 行, 所 用 材 料 属 性 均 按 规 范 取 值 结 构 模 态 分 析 时, 质 量 源 选 取 : 恒 载 +0.5 活 载 对 该 结 构 进 行 动 力 特 性 分 析, 其 模 态 结 果 如 表 1 所 示 图 2 给 出 了 步 频 (2.0Hz) 一 致 时 单 人 人 行 荷 载 与 人 体 重 量 G 的 比 值 曲 线 2.2 分 析 工 况 定 义 正 常 使 用 条 件 下 大 跨 结 构 往 往 承 受 着 大 量 人 群 的 同 时 作 用, 因 此 需 要 研 究 大 量 人 群 产 生 的 步 行 力, 即 人 群 荷 载 文 献 [4] 给 出 了 低 密 度 人 群 自 由 行 走 ( 人 群 密 度 <1.0 人 /m 2 ) 时 的 等 效 人 数 N p 计 算 公 式 : 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0 2 4 6 8 10 t /S 图 2 步 行 荷 载 激 励 与 人 体 重 量 G 的 比 值 时 程 关 系 Np 10.8 n (2) 式 中 : 为 结 构 阻 尼 比 ;n 为 受 荷 面 积 上 行 人 的 总 数 当 高 密 度 人 群 自 由 行 走 时, 因 为 行 人 前 后 间 距 变 小, 已 不 能 自 由 地 按 本 人 意 愿 行 走 文 献 [4],[5] 给 出 了 人 群 密 度 >1.0 人 /m 2 时 的 等 效 人 数 N p 的 计 算 公 式 : Np 1.85 n (3) 92 图 1 青 岛 北 客 站 西 广 厅 有 限 元 模 型 结 构 前 10 阶 振 型 频 率 与 竖 向 质 量 参 与 系 数 表 1 模 态 号 1 2 3 4 5 频 率 /Hz 1.155 1.210 1.340 1.992 2.530 竖 向 质 量 参 与 系 数 /% 0.0005 0.0009 0.0001 1.5400 0.0810 模 态 号 6 7 8 9 10 频 率 /Hz 2.785 2.920 3.073 3.143 3.219 竖 向 质 量 参 与 系 数 /% 0.0000 0.0003 0.5120 0.0311 0.0166 2 人 群 荷 载 模 拟 与 分 析 工 况 定 义 2.1 单 人 人 行 荷 载 模 拟 单 人 步 行 激 励 曲 线 取 IABSE 的 曲 线 [3], 见 下 式 : 3 Fp( t) G 1 sin 2iπf t i1 i s i (1) 式 中 : F p 为 行 人 激 励 ;t 为 时 间 ;G 为 体 重 ; f s 为 步 行 频 率 ; 为 第 i 阶 简 谐 波 动 载 因 子 i 本 文 只 取 前 3 阶 振 型 进 行 计 算 ; 0.4 0.25( f 2), 2 3 0.1 ; 1 0, 1 s 2 3 π /2 人 的 重 量 参 考 AISC [3] 取 作 70kg/ 人 工 况 定 义 考 虑 了 顶 部 观 景 平 台 的 实 际 使 用 功 能, 区 分 不 同 的 行 人 交 通 级 别 和 相 关 的 人 流 密 度, 取 最 不 利 情 况, 考 虑 下 列 几 种 荷 载 激 励 工 况 :1) 慢 走 工 况 ( 频 率 为 1.7Hz); 2) 正 常 行 走 工 况 ( 频 率 为 2.0Hz); 3) 快 走 工 况 ( 频 率 为 2.3Hz); 4) 根 据 观 景 平 台 结 构 高 阶 振 型 竖 向 质 量 参 与 系 数, 选 取 的 激 励 工 况 频 率 为 3.0Hz, 以 模 拟 该 频 率 下 实 际 的 人 群 荷 载, 分 析 工 况 见 表 2 3 TMD 减 振 方 案 及 分 析 效 果 根 据 表 1 给 出 的 结 构 前 10 阶 振 型 频 率 及 其 竖 向 质 量 参 与 系 数 可 以 看 出, 结 构 的 前 3 阶 振 型 体 现 为 整 体 的 水 平 振 动, 而 第 4,8 阶 振 型 的 竖 向 质 量 参 与 系 数 较 大, 为 竖 向 振 型, 且 其 竖 向 自 振 频 率 与 人 的 一 般 步 行 频 率 (1.5~3.1Hz) 很 接 近 [6], 容 易 造 成 共 振, 需 进 行 消 能 减 振 设 计 3.1 舒 适 度 评 价 标 准 文 献 [3] 给 出 了 住 宅 及 办 公 室 商 场 室 外 人 行 天 桥 竖 向 振 动 峰 值 加 速 度 的 控 制 指 标 限 值, 分 别 为 0.05,0.15,0.5m/s 2 本 工 程 的 竖 向 振 动 减 振 目 标
Y(m) Y(m) 加 速 度 (m/s 2 ) 取 为 0.15m/s 2 步 行 工 况 定 义 表 2 工 行 人 密 度 频 率 描 述 特 点 等 效 人 数 况 /( 人 /m 2 ) /Hz 交 通 异 行 走 不 舒 适, 人 群 拥 挤, 1 1.5 1.7 常 繁 忙 行 人 不 能 自 由 选 择 步 伐 Np 1.85 n 交 通 十 自 由 移 动 受 到 限 制, 步 行 2 1.0 2.0 分 繁 忙 受 阻, 快 步 行 走 不 再 可 能 交 通 3 0.5 2.3 舒 适 自 由 行 走, 快 步 行 走 稀 少 是 可 能 的, 单 人 行 走 能 自 Np 10.8 n 交 通 4 0.3 3.0 由 选 择 步 伐 稀 少 3.2 MTMD 减 振 方 案 通 过 综 合 考 虑 人 行 荷 载 频 率 范 围 结 构 动 力 特 性 及 振 型 竖 向 质 量 参 与 系 数 等 情 况, 经 多 次 循 环 优 化 计 算, 确 定 了 共 14 套 TMD 的 MTMD 减 振 系 统 : TMD1 按 1.8Hz 调 频,TMD2 按 2.2Hz 调 频, 均 布 置 在 三 层 观 景 平 台 的 左 中 右 三 个 区 域 减 振 装 置 的 布 置 位 置 如 图 3 所 示, 减 振 装 置 参 数 见 表 3 前 后 的 加 速 度 时 程 对 比 情 况 图 5 列 举 了 工 况 2 时 各 点 竖 向 振 动 最 大 加 速 度 散 点 云 图 采 用 MTMD 布 置 下 工 况 2 加 速 度 最 大 响 应 /(m/s 2 ) 表 4 工 况 节 点 号 减 振 前 减 振 后 减 振 率 1(1.7Hz) 2(2.0Hz) 3(2.3Hz) 4(3.0Hz) 0.3 0.2 0.1 0.0-0.1 306 0.14569 0.13768 5.50% 474 0.12924 0.11944 7.58% 629 0.15448 0.14454 6.43% 306 0.08308 0.07449 10.34% 474 0.23744 0.11739 50.56% 629 0.125 70.11214 10.70% 306 0.04723 0.04485 5.04% 474 0.06864 0.06122 10.81% 629 0.04973 0.0473 4.02% 306 0.03803 0.0354 5.76% 474 0.02477 0.02083 15.91% 629 0.04863 0.04640 4.59% without TMD with TMD -0.2-0.3 0 5 10 15 20 时 间 (s) 图 4 节 点 474 在 工 况 2 下 的 加 速 度 时 程 曲 线 对 比 35 0.2 30 0.15 图 3 MTMD 布 置 位 置 示 意 MTMD 体 系 参 数 表 3 弹 簧 刚 度 质 量 块 调 频 阻 尼 器 参 数 减 振 系 ( 单 根 弹 簧 ) 质 量 频 率 阻 尼 阻 尼 系 数 最 大 出 统 编 号 /(N/m) /kg /Hz 指 数 C/(N s/m) 力 /kn TMD1 15973±15% 500 1.8 1 3000 1.7 TMD2 23860±15% 500 2.2 1 3000 2.1 注 : 考 虑 到 计 算 模 型 与 实 际 模 型 的 误 差, 表 中 弹 簧 刚 度 在 计 算 值 的 基 础 上 ±15% 阻 尼 系 数 根 据 吸 振 器 参 数 优 化 公 式 (Warburton,1982) 计 算 得 到 3.3 减 振 分 析 根 据 上 述 定 义 的 分 析 工 况, 应 用 模 拟 的 荷 载 曲 线, 进 行 荷 载 作 用 下 结 构 动 力 响 应 分 析, 并 分 别 取 结 构 在 不 同 工 况 下 的 三 个 最 大 响 应 点 ( 节 点 306( 左 侧 区 域 ) 节 点 474( 中 间 区 域 ) 和 节 点 629( 右 侧 区 域 )) 进 行 减 振 后 加 速 度 最 大 响 应 的 对 比 4 种 工 况 下 结 构 加 速 度 峰 值 如 表 4 所 示 图 4 列 举 了 节 点 474 在 2.0Hz 激 励 工 况 下, 减 振 25 0.1 20 0.05-80 -60-40 -20 0 20 40 X(m) (a) 工 况 2 减 振 前 (m/s 2 ) 36 0.14 34 32 0.12 30 0.1 28 0.08 26 24 0.06 22 0.04 20 18 0.02 16-80 -60-40 -20 0 20 40 X(m) (b) 工 况 2 减 振 后 (m/s 2 ) 图 5 工 况 2 观 景 平 台 各 点 竖 向 振 动 最 大 加 速 度 散 点 云 图 从 分 析 的 结 果 来 看, 设 置 MTMD 减 振 系 统 使 得 结 构 在 人 行 荷 载 激 励 下 的 竖 向 振 动 得 到 了 有 效 抑 制 在 2.0Hz 的 人 行 频 率 激 励 下, 减 振 前 结 构 的 93
共 振 响 应 较 为 明 显, 而 减 振 后 最 大 加 速 度 减 振 率 达 到 了 50.56% 4 屈 曲 约 束 支 撑 设 计 4.1 抗 震 性 能 目 标 工 程 设 计 基 准 期 为 50 年, 抗 震 设 防 烈 度 为 6 度 (0.05g), 抗 震 设 防 类 别 为 丙 类, 场 地 类 别 为 Ⅱ 类, 设 计 地 震 分 组 为 第 三 组,50 年 重 现 期 基 本 风 压 取 0.45kN/m 2, 地 面 粗 糙 度 为 B 类, 风 荷 载 体 型 系 数 为 1.3 同 时 根 据 场 地 土 的 地 震 安 评 报 告, 场 地 特 征 周 期 T g 为 0.6s, 多 遇 地 震 时 水 平 地 震 影 响 系 数 max 取 0.11, 罕 遇 地 震 时 max 取 0.72 通 过 计 算 发 现, 结 构 的 层 间 位 移 角 难 以 满 足 规 范 要 求, 但 建 筑 又 不 允 许 加 大 构 件 截 面, 因 此 需 采 用 屈 曲 约 束 支 撑 改 善 结 构 的 抗 震 性 能 图 6 为 屈 曲 约 束 支 撑 在 本 工 程 中 的 应 用 选 择 天 然 波 (Parkfield 波 smi 波 Olympia 波 Imperial 波 Lwd 波 ) 和 人 工 波 (RG1 波 RG2 波 ) 作 为 地 震 动 输 入 到 有 限 元 模 型 中 进 行 时 程 分 析 将 原 结 构 的 时 程 数 据 与 PKPM,MIDAS/Gen 反 应 谱 数 据 进 行 对 比, 见 表 6 图 7 为 所 选 取 的 七 条 地 震 波 在 7 度 多 遇 地 震 (55gal) 情 况 下 与 规 范 中 5% 阻 尼 比 时 反 应 谱 的 对 比 情 况 多 遇 地 震 作 用 下 结 构 的 基 底 剪 力 对 比 表 6 地 震 波 X 向 Y 向 剪 力 /kn 比 值 剪 力 /kn 比 值 Parkfield 4490 98% 5845 106% smi 4790 105% 4940 90% Olympia 5420 118% 5550 101% Imperial 4320 94% 4980 90% Lwd 4700 103% 6390 116% RG1 5180 113% 5400 98% RG2 5210 114% 6540 119% 平 均 值 4872.86 106% 5663.57 103% PKPM 4581.24 100% 5511.74 100% MIDAS 4849.20-5595.40 - 注 : 比 值 = 地 震 波 基 底 剪 力 / 反 应 谱 基 底 剪 力 100% 图 6 青 岛 北 站 西 广 厅 中 BRB 实 景 照 片 构 的 抗 震 设 计 需 要 满 足 三 水 准 的 抗 震 设 防 目 标, 根 据 建 筑 功 能 和 工 程 的 重 要 性, 规 范 要 求 的 三 水 准 抗 震 设 防 目 标 具 体 化 为 表 5 所 示 的 抗 震 性 能 目 标 [7,8] 结 构 抗 震 性 能 目 标 表 5 性 能 指 标 多 遇 地 震 设 防 烈 度 地 震 罕 遇 地 震 目 标 小 震 不 坏 中 震 可 修 大 震 不 倒 位 移 角 限 值 h/550 3h/550 h/50 框 架 梁 弹 性 弹 性 塑 性 框 架 柱 弹 性 弹 性 塑 性 BRB 弹 性 塑 性 塑 性 注 :h 为 层 高 4.2 地 震 波 选 取 我 国 建 筑 抗 震 设 计 规 范 (GB 50011-2010) [9] 明 确 规 定 : 当 取 七 组 或 七 组 以 上 的 时 程 曲 线 时, 计 算 结 果 可 取 时 程 法 的 平 均 值 和 振 型 分 解 反 应 谱 法 的 较 大 值 ; 弹 性 时 程 分 析 时, 每 条 时 程 曲 线 计 算 所 得 结 构 底 部 剪 力 不 应 小 于 振 型 分 解 反 应 谱 法 计 算 结 果 的 65%, 多 条 时 程 曲 线 计 算 所 得 结 构 底 部 剪 力 的 平 均 值 不 应 小 于 振 型 分 解 反 应 谱 法 计 算 结 果 的 80% 根 据 本 工 程 场 地 类 别 和 地 震 分 组, 现 94 水 平 地 震 响 应 系 数 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0 1 2 3 4 结 构 周 期 T(s) park smi olympia Imperial lwd RG1 RG2 0.15g 图 7 55gal 设 计 地 震 动 和 5% 阻 尼 比 规 范 反 应 谱 对 比 4.3 屈 曲 约 束 支 撑 的 选 取 与 布 置 根 据 屈 曲 约 束 支 撑 (BRB) 的 耗 能 原 理, 结 合 结 构 振 动 特 点, 本 工 程 分 别 在 结 构 的 两 个 主 轴 方 向 设 置 屈 曲 约 束 支 撑, 其 数 量 型 号 位 置 通 过 多 轮 时 程 分 析 进 行 优 化 调 整 后 而 确 定, 参 数 取 值 见 表 7 依 据 抗 震 规 范 以 及 提 供 的 建 筑 设 计 图 结 构 布 置 图 以 及 相 关 设 计 分 析 模 型 与 结 果, 决 定 在 本 工 程 一 二 层 的 适 当 位 置 沿 结 构 的 两 个 主 轴 方 向 设 置 约 束 屈 曲 支 撑, 以 减 小 结 构 的 地 震 响 应, 具 体 布 置 位 置 见 图 8 5 多 遇 地 震 下 弹 性 时 程 分 析 5.1 层 间 位 移 选 取 Parkfield 地 震 波, 结 构 在 其 作 用 下 减 震 前
(a) 一 层 南 区 支 撑 布 置 (b) 一 层 北 区 支 撑 布 置 (c) 二 层 南 区 支 撑 布 置 后 的 层 间 位 移 见 表 8 按 文 献 [5] 中 层 间 位 移 角 小 于 1/550 的 要 求, 该 结 构 一 二 层 的 层 间 位 移 应 小 于 0.0082m, 三 层 应 小 于 0.0147m, 由 表 8 可 见, 一 二 三 层 减 震 后 层 间 位 移 满 足 要 求 从 层 间 位 移 变 化 情 况 可 以 看 出, 结 构 X 向 刚 度 较 Y 向 的 刚 度 大 因 此 减 震 方 案 在 Y 向 多 布 置 几 个 屈 曲 约 束 支 撑, 减 震 效 果 也 要 好 于 X 向, 但 两 个 方 向 减 震 后 的 地 震 响 应 较 为 接 近, 符 合 规 范 要 求 屈 曲 约 束 支 撑 布 置 参 数 表 7 支 撑 弹 性 刚 度 屈 服 点 屈 服 力 极 限 力 刚 度 屈 服 数 类 型 /(kn/m) /MPa /kn /kn 比 指 数 量 A(X) 1.5 10 5 160 270 468 0.02 2 8 B(Y) 3.0 10 5 160 540 960 0.02 2 7 C(Y) 1.7 10 5 160 320 492 0.02 2 3 图 8 屈 曲 约 束 支 撑 布 置 位 置 示 意 图 (d) 二 层 北 区 支 撑 布 置 在 弹 性 阶 段, 屈 曲 约 束 支 撑 处 于 弹 性 变 形 阶 段, 而 BRB 的 设 置 主 要 是 为 了 增 大 结 构 的 刚 度, 虽 然 这 会 增 大 结 构 减 震 后 的 层 间 剪 力, 但 其 程 度 并 不 大 ; 同 时, 增 大 刚 度 可 以 减 小 结 构 在 小 震 作 用 下 的 层 间 位 移, 以 达 到 减 震 的 效 果 5.2 屈 曲 约 束 支 撑 滞 回 曲 线 图 9 为 一 层 某 C 型 屈 曲 约 束 支 撑 在 多 遇 地 震 Parkfield 波 作 用 下 的 轴 力 - 轴 向 位 移 滞 回 曲 线 通 过 轴 力 - 轴 向 位 移 可 以 看 出 屈 曲 约 束 支 撑 在 多 遇 地 震 下 没 有 达 到 屈 服 力, 仍 处 于 弹 性 变 形 阶 段, 这 符 合 屈 曲 约 束 支 撑 的 设 计 原 理 Parkfield 波 作 用 下 层 间 位 移 减 震 效 果 表 8 方 向 楼 层 层 高 /m 层 间 位 移 /m 减 震 前 减 震 后 减 震 率 三 层 8.1 0.0144 0.0121 15.97% X 向 二 层 4.5 0.0035 0.003 14.29% 一 层 4.5 0.0024 0.0024 0.00% 三 层 8.1 0.0178 0.0104 41.57% Y 向 二 层 4.5 0.0046 0.0023 50.00% 一 层 4.5 0.0031 0.002 35.48% 图 9 多 遇 地 震 Parkfield 波 某 屈 曲 约 束 支 撑 滞 回 曲 线 95
6 罕 遇 地 震 下 弹 塑 性 时 程 分 析 6.1 层 间 位 移 框 架 结 构 在 罕 遇 地 震 作 用 下, 层 间 位 移 角 需 满 足 公 式 u/ h [ ] 1/ 50 其 中, u 为 层 间 弹 塑 性 位 移, h 为 层 高, [ ] 为 层 间 弹 塑 性 位 移 角 限 值 表 9 列 出 了 结 构 在 罕 遇 地 震 Parkfield 波 作 用 下 减 震 前 后 的 层 间 位 移 通 过 给 出 的 减 震 数 据 可 以 看 出, 虽 然 X 向 的 层 间 位 移 减 震 率 较 Y 向 的 减 震 率 存 在 一 定 的 差 距, 但 减 震 后 的 层 间 位 移 数 值 较 为 接 近, 且 均 满 足 规 范 的 要 求 方 向 X 向 Y 向 Parkfield 波 作 用 下 层 间 位 移 减 震 效 果 表 9 楼 层 层 高 /m 减 震 前 层 间 位 移 /m 减 震 后 减 震 率 3 层 8.1 0.0968 0.093 3.93% 2 层 4.5 0.0345 0.0328 4.93% 1 层 4.5 0.0225 0.0215 4.44% 3 层 8.1 0.1045 0.0954 8.71% 2 层 4.5 0.0373 0.0325 12.87% 1 层 4.5 0.024 0.0211 12.08% 6.2 屈 曲 约 束 支 撑 滞 回 曲 线 图 10 给 出 了 X 向 罕 遇 地 震 作 用 下 一 层 某 屈 曲 约 束 支 撑 的 轴 力 轴 向 位 移 滞 回 曲 线, 屈 曲 约 束 支 撑 类 型 为 A 型 滞 回 曲 线 表 明 该 屈 曲 约 束 支 撑 在 罕 遇 地 震 作 用 下 达 到 屈 服 力, 进 入 塑 性 耗 能 阶 段 图 10 罕 遇 地 震 Parkfield 波 某 屈 曲 约 束 支 撑 滞 回 曲 线 6.3 塑 性 行 为 发 展 情 况 MIDAS/Gen 通 过 定 义 包 括 铰 数 量 滞 回 模 型 类 型 及 其 特 征 值 等 参 数 在 内 的 非 弹 性 较 特 性 值, 以 使 结 构 在 弹 塑 性 分 析 时 能 够 显 示 构 件 塑 性 行 为 的 发 展 程 度 通 过 定 义 代 表 非 弹 性 铰 变 形 水 平 的 变 形 指 数 来 表 示 塑 性 铰 的 出 现 情 况 根 据 所 定 义 的 延 性 系 数 将 铰 划 分 为 5 种 不 同 的 状 态 水 平, 并 通 过 不 同 的 颜 色 在 构 件 的 相 应 位 置 显 示 出 来 图 11 给 出 了 结 构 在 X 向 罕 遇 地 震 Parkfield 波 作 用 下 减 震 前 后 塑 性 铰 开 展 情 况 从 图 中 可 以 直 观 地 看 出 屈 曲 约 束 支 撑 对 抑 制 塑 性 铰 的 开 展 起 到 了 积 极 的 作 用 (a) 减 震 前 (b) 减 震 后 图 11 罕 遇 地 震 Parkfield 波 X 向 减 震 前 后 塑 性 铰 开 展 情 况 7 结 论 分 别 分 析 了 青 岛 北 站 西 广 厅 考 虑 人 体 舒 适 度 的 人 行 荷 载 MTMD 减 振 设 计 和 基 于 性 能 的 地 震 作 用 下 BRB 减 震 设 计, 相 关 分 析 结 论 如 下 : (1) 对 于 人 行 荷 载 工 况, 采 用 步 频 一 致 计 算 模 型 时 : 慢 走 工 况 (1.7Hz) 时, 最 大 加 速 度 峰 值 为 0.15448m/s 2 ; 正 常 行 走 工 况 (2.0Hz) 时, 最 大 加 速 度 峰 值 为 0.23744m/s 2 ; 快 走 工 况 (2.3Hz) 时, 最 大 加 速 度 峰 值 为 0.06864m/s 2 ; 当 步 行 频 率 为 3.0Hz 时, 最 大 加 速 度 峰 值 为 0.04863m/s 2 (2) 本 文 所 采 用 的 4 种 计 算 工 况 下, 部 分 工 况 (1.7Hz 2.0Hz) 下 加 速 度 响 应 大 于 0.15m/s 2, 不 满 足 人 体 舒 适 度 要 求, 因 此 应 采 取 措 施 增 大 结 构 整 体 刚 度 或 采 用 消 能 减 振 技 术 控 制 人 群 荷 载 作 用 下 结 构 的 竖 向 加 速 度 响 应, 以 满 足 人 体 舒 适 度 要 求 (3) 本 文 所 采 用 的 方 案 为 1.8Hz 调 谐 频 率 与 2.2Hz 调 谐 频 率 相 结 合 的 MTMD 方 案, 采 用 该 MTMD 减 振 方 案, 能 有 效 降 低 2.0Hz 激 励 工 况 时 结 构 的 共 振 响 应 ;4 种 激 励 工 况 下 最 大 响 应 点 加 速 度 峰 值 的 减 振 率 分 别 为 7.58%,50.56%,10.81% 及 15.91% ; 减 振 后, 各 工 况 加 速 度 峰 值 均 小 于 0.15m/s 2, 满 足 人 体 舒 适 要 求 (4) 屈 曲 约 束 支 撑 对 结 构 在 多 遇 地 震 作 用 下 减 震 效 果 较 为 明 显, 保 证 了 结 构 的 安 全 在 多 遇 地 震 作 用 下,X 向 和 Y 向 的 层 间 位 移 角 均 满 足 规 范 限 值 1/550 的 要 求 (5) 在 罕 遇 地 震 作 用 下, 屈 曲 约 束 支 撑 能 有 效 地 耗 散 输 入 到 上 部 结 构 的 能 量, 减 震 结 构 的 塑 性 行 为 发 展 得 到 了 大 幅 度 的 减 缓, 有 效 地 推 迟 塑 性 铰 出 现 的 时 间 并 减 小 其 强 度 (6) 屈 曲 约 束 支 撑 的 轴 力 - 轴 向 位 移 滞 回 曲 线 符 合 其 耗 能 原 理 及 参 数 设 置 在 多 遇 地 震 作 用 下, 屈 曲 约 束 支 撑 处 于 弹 性 变 形 阶 段 ; 在 罕 遇 地 震 作 用 96
下, 屈 曲 约 束 支 撑 进 入 塑 性 耗 能 阶 段, 滞 回 曲 线 饱 满, 耗 能 充 分, 效 果 良 好 (7) 本 工 程 所 采 用 的 屈 曲 约 束 支 撑 消 能 减 震 技 术 后 可 以 有 效 减 小 结 构 的 地 震 响 应, 特 别 是 三 层 的 地 震 响 应, 使 薄 弱 层 部 分 得 到 加 强, 有 效 减 少 了 结 构 的 不 安 全 因 素 参 考 文 献 [1] 朱 鸣, 张 志 强, 柯 长 华, 等. 大 跨 度 钢 结 构 楼 盖 竖 向 振 动 舒 适 度 的 研 究 [J]. 建 筑 结 构,2008,38(1):72-76. [2] 徐 培 福, 傅 学 怡, 王 翠 坤, 等. 复 杂 高 层 建 筑 结 构 设 计 [M]. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社, 2005. [3] Floor vibrations due to human activity (Steel design guide series 11) [S].American Institute of Steel Construction,1997. [4] AFGC(French Association of Civil Engineering)Working Group. Assessment of vibration behavior of footbridge under pedestrian loading[r].france:sétra,2006. [5] EN 03(2007)RFS2 CT 2007 00033. Design of footbridges guideline[s]. Germany: Research Found for Coal & Steel, 2008. [6] 马 斐, 张 志 强, 李 爱 群, 等. 大 跨 高 空 连 廊 人 群 荷 载 下 TMD 减 振 控 制 分 析 [J]. 建 筑 结 构,2011,41(S1):1399-1403. [7] 罗 开 海. 屈 曲 约 束 支 撑 体 系 设 计 方 法 [J]. 建 筑 结 构,2011, 41(11): 98-102. [8] 赵 瑛, 郭 彦 林. 防 屈 曲 支 撑 框 架 设 计 方 法 研 究 [J]. 建 筑 结 构,2010, 40(1): 38-43. [9] GB 50011 2010 建 筑 抗 震 设 计 规 范 [S]. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社, 2010. * 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 高 铁 站 房 大 跨 楼 盖 结 构 随 机 人 群 荷 载 效 应 及 其 MTMD 减 振 控 制 研 究 (51278106), 江 苏 省 建 设 厅 基 金 项 目 新 型 建 筑 结 构 体 系 关 键 技 术 研 究 与 示 范 (7605000023) 作 者 简 介 : 张 志 强, 博 士, 副 教 授, Email : zzq1969@seu.edu.cn 97