BRB_钢管高强混凝土结构的抗震性能分析_李帼昌

第34卷第5期2012年9月沈阳工业大学学报Journal of Shenyang University of TechnologyV o l.34No.5Sep.2012收稿日期：2011－09－08．基金项目：住房和城乡建设部研究开发项目（2011－k3－23）；沈阳市国际合作项目（F10－240－6－00）．作者简介：李帼昌（1964－），女，辽宁昌图人，教授，博士，主要从事组合结构和钢结构等方面的研究．*本文已于2012－09－12在中国知网优先数字出版，DOI 为CNKI ：21－1189/T．20120912．1708．021，http ：//www ．cnki．net /kcms /detail /21．1189．T．20120912．1708．021．html．文章编号：1000－1646（2012）05－0591－05BRB-钢管高强混凝土结构的抗震性能分析*李帼昌1，张迎1，高成富2，田磊1（1.沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳110168；2.北京城建道桥建设集团有限公司，北京100124）摘要：为了研究屈曲约束支撑-钢管高强混凝土框架结构在多遇地震和罕遇地震作用下的抗震性能，结合我国抗震规范，利用通用有限元分析软件SAP2000对设置了屈曲约束支撑的三层钢管高强混凝土框架结构进行静力弹塑性分析，得到了该结构在地震作用下的能力曲线、层间位移、顶点位移和塑性铰分布情况等相关参数，并对其抗震性能进行了分析．结果表明，框架中设置的屈曲约束支撑可有效提高钢管高强混凝土结构的抗震性能，满足结构抗震性能的要求．关键词：屈曲约束支撑；钢管高强混凝土结构；塑性铰；能力曲线；性能点；层间位移；静力弹塑性分析；抗震性能中图分类号：TU 352文献标志码：ASeismic resistance analysis on BRB-high strength concrete-filledsteel tube structureLI Guo-chang 1，ZHANG Ying 1，GAO Cheng-fu 2，TIAN Lei 1（1．School of Civil Engineering ，Shenyang Jianzhu University ，Shenyang 110168，China ；2．Beijing Urban Construction Road ＆Bridge Group Co．Ltd．，Beijing 100124，China ）Abstract ：In order to investigate the seismic resistance of buckling-restrained brace （BRB ）-high strength concrete-filled steel tube frame structure under both frequent and rare seismic action ，the universal finite element analysis software SAP2000was used to perform the static elasto-plastic analysis on a 3-storey BRB-high strength concrete-filled steel tube frame structure in combination with Chinese code for seismic design．In addition ，such related parameters as the capacity curve ，storey drift ，vertex displacement and plastic hinge distribution of the proposed structure under seismic action were obtained．And the seismic resistance of the structure was analyzed．The results show that the BRB arranged in the frame can effectively improve the seismic resistance of high-strength concrete filled steel tube structure ，and meet the requirements of seismic resistance of the structure．Key words ：buckling-restrained brace ；high-strength concrete filled steel tube structure ；plastic hinge ；capacity curve ；performance point ；storey drift ；static elasto-plastic analysis ；seismic resistance钢管高强混凝土框架结构是由钢管高强混凝土柱和钢梁组成的结构，该结构利用钢管和高强混凝土两种材料在受力过程中相互之间的组合作用，充分发挥其优势，在克服高强混凝土脆性大、延性差缺点的同时，避免或延缓钢管发生局部屈曲，从而使钢管高强混凝土结构整体承载力高、塑性和韧性好［1－2］，有效地克服了彼此的缺点，发挥了各自的优点，使其在工程中得到了广泛的应用．为了提高建筑物的结构抗震性能，在设计中改变传统结构，利用主体结构构件的延性产生塑性铰，通过竖向支撑采用屈曲约束支撑，并与钢管高强混凝土框架结合构成屈曲约束支撑框架体系，耗散地震能量，从而达到保护主要结构构件的目的．屈曲约束支撑［3］（buckling-restrained brace，BRB）是一种解决普通支撑受压屈曲的支撑构件，在钢制芯材外围设置约束套管，使其芯材在受拉与受压时均能达到屈服而不发生屈曲，从而具有良好的耗能性．根据不同刚度、耗能等要求支撑的芯材可选用一字形、十字形和工字形等多种形式［3］．BRB自20世纪70年代被日本学者提出以来［4］，在地震工程及结构工程领域倍受广大学者的关注．在日本，BRB主要被用作控制结构损伤的阻尼器，像结构保险丝一样保护主体结构在大震过后免受严重损伤甚至保持弹性；在美国，BRB被当作是一种特殊的中心支撑来进行体系设计［5］；印度、韩国等国家也对BRB进行了不同程度的研究；在中国，台湾地区对BRB的研究相对较早，目前在实际工程中应用较多，如台北县政府大楼、台北101国际金融中心大楼等；而在大陆地区，虽然对BRB的研究起步较晚，但目前屈曲约束支撑已经实现国产化，并应用到多个重大工程中［6］，如上海世博中心结构［7］、上海虹桥交通枢纽和山西图书馆等建筑物［8］．BRB不仅可以用于新建建筑，而且可以用于现有建筑的抗震加固和改造．目前对钢结构和钢筋混凝土结构的加固改造较多，对于将BRB应用在钢管高强混凝土结构中的研究相对较少，故对该结构进行了数值模拟，并进行了抗震性能评价，为屈曲约束支撑钢管高强混凝土结构设计提供了参考依据．为了研究该结构的抗震性能，本文利用SAP2000软件，采用Pushover分析方法对三层屈曲约束支撑钢管高强混凝土框架结构进行分析．1静力弹塑性分析方法静力弹塑性分析方法（简称Pushover分析方法）是近年来用于结构抗震设计和结构抗震性能评估的新方法，最早是由美国学者Freeman提出的，起初此方法并未引起广泛重视．90年代初美国研究者们提出了引起日本、欧洲学者们极大兴趣的基于性能（performance-based）及基于位移（displacement-based）的设计方法，Pushover方法随之再次激发了广大研究者和设计人员的兴趣，纷纷展开了各方面的研究．一些国家抗震规范也逐渐接受了这一分析方法并纳入其中，如ATC-40、FEMA-356、日本和韩国等国规范．我国的《建筑抗震设计规范》已明确提出需要采用该方法进行抗震验算，同时一些著名的结构分析通用软件如SAP2000、MIDAS等都特别增加了结构Pushover 分析功能．1.1Pushover分析方法的基本原理静力弹塑性分析方法是：结构分析模型在一个沿结构高度为某种规定分布形式且逐渐增加侧向力或侧向位移作用下，直至结构模型控制点（一般指建筑物顶层的形心位置）达到目标位移（一般指建筑物在设计地震力作用下的最大变形）或结构倾覆为止的过程．更确切地说，Push-over分析方法是一种静力非线性分析方法，但与一般抗震静力分析方法不同，Pushover分析方法逐级单调施加的是模拟地震水平惯性力的侧向力或侧向位移，它是通过分析结构的薄弱位置及其他非线性状态的反应，以判断在可能地震作用下结构及构件的变形能力能否满足设计及使用功能的要求．Pushover分析方法包含两方面内容：1）计算结构的能力曲线，即荷载位移曲线；2）对结构抗震能力的评估．1.2Pushover分析方法的优点近年来，Pushover分析方法已在实际工程中得到了广泛的应用，其主要用于既有建筑的抗震鉴定及加固，以及对新建结构设计方案的抗侧能力进行分析．利用Pushover分析方法进行结构分析的优点在于：既能对结构在多遇地震作用下的弹性设计进行校核，也能够确定结构在罕遇地震作用下潜在的破坏机制，找到最先破坏的薄弱部位，从而使设计者仅对局部薄弱部位进行修复和加强，不改变整体结构的性能就能使整体结构达到预定的使用功能［9］．1.3Pushover分析方法的一般过程SAP2000的非线性版本提供了Pushover分析功能，Pushover分析方法的一般过程如下，其中某些步骤是由SAP2000自动完成［10］．1）建立结构和构件的计算模型．2）定义框架铰属性并将其指定给框架/索单元．3）定义Pushover分析所需的荷载工况，包括：①重力荷载和其他可能在施加横向地震荷载前作用的结构荷载；②用来推导结构的横向荷载．4）定义Pushover分析使用的非线性静力分析工况，包括：①一系列的一个或多个使用荷载控制的从零开始施加重力和其他固定荷载的工况；②从该系列开始并施加横向Pushover荷载的一295沈阳工业大学学报第34卷个或多个Pushover工况．5）运行Pushover分析工况．6）审阅结果．7）按需要修改结果并重复．2计算框架的Pushover分析2.1模型的建立在SAP2000软件中对屈曲约束支撑钢管高强混凝土结构（方钢管高强混凝土柱、钢梁）进行建模，该结构层高为4.5m，共3层，平面布置如图1所示（单位：mm）．柱为300mmˑ300mmˑ8mm的方钢管高强混凝土柱，内填混凝土等级为C60，钢梁的截面尺寸为H400mmˑ200mmˑ10mmˑ13mm，框架中BRB采用人字形布置，如图2所示．通过计算得到1、2、3层BRB芯材尺寸分别为2000、1500和400mm2．梁、柱和屈曲约束支撑芯材的钢材均选用Q235级钢，楼板为120mm厚C30钢筋混凝土楼板．抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，设计地震分组为第二组，Ⅲ类场地．建模时，梁、柱均采用线单元，楼板采用壳单元，屈曲约束支撑采用弹塑性连接单元（plastic wen），且次梁折算成均布荷载施加在各层楼板上．在模型分析过程中，为了简化计算，将方钢管混凝土柱通过抗侧刚度等效原则简化为纯钢管模型．图1结构平面图Fig.1Planar diagram of structure2.2计算的基本参数2.2.1UBC规范与我国规范反应谱参数转换由于SAP2000中Pushover分析使用的反应谱均为国外的反应谱曲线，将中国的反应谱曲线与ATC-40（applied technology council）［11］中规定图2结构立面图Fig.2Elevation diagram of structure的反应谱曲线进行对比（见图3、4）．图3、4中，η1为直线下降段的下降斜率调整系数；η2为阻尼调整系数；α为地震影响系数；αmax为地震影响系数最大值；γ为衰减指数；T为结构自振周期；T g、T s 为特征周期；C A、C v为地震系数．依据两个规范谱线相关性，当阻尼比为0.05时，可以近似得到η2αmax=2.5C A，T g=T s=C v/2.5C A．因此，本文为框架8度罕遇地震，Ⅲ类场地，设计地震分组为第二组时，得到需求谱的自定义系数为C A=0.405，Cv=0.557［10］．图3中国规范反应谱Fig.3Response spectrum defined in Chinesecode图4ATC-40定义的反应谱Fig.4Response spectrum defined in ATC-402.2.2塑性铰的定义和设置SAP2000给框架单元提供了轴力铰（P）、弯矩铰（M）、剪力铰（V）和PMM相关铰4种塑性铰，可以在框架单元的任意位置布置一种或多种395第5期李帼昌，等：BRB-钢管高强混凝土结构的抗震性能分析塑性铰［10］．同时，SAP2000提供了3种类型的铰属性：默认的铰属性、用户指定的铰属性和生成的铰属性．只有默认的铰属性和用户指定的铰属性可以被指定给框架单元．本文采用默认的铰属性，钢梁采用SAP2000提供的M3塑性铰，方钢管高强混凝土柱采用SAP2000提供的PMM塑性铰，分别布置在梁、柱的两端．2.2.3Pushover工况Pushover分析一般需要多个分析工况，一个典型的Pushover分析可能由2个或3个工况构成：第1个将施加重力荷载给结构，第2个和第3个可能施加不同的横向荷载．本文首先对结构施加了从零初始条件开始的重力工况，然后施加在重力工况结束处开始的代表惯性力的分布静荷载，即由SAP2000提供的x方向的振型荷载Mode荷载类型，当取第一振型时，相当于倒三角分布，同时，因为P-Δ效应（柱子等构件由于端部位移大，重心偏离轴线而引起的柱子底部的弯矩称重力二阶效应，简称为P-Δ效应）对结构受力性能有显著的不利影响，所以在分析中考虑P-Δ效应［12］．3结果分析Pushover分析时，首先建立基底剪力顶点位移曲线，然后将曲线转换为谱加速度谱位移曲线（Sa -Sd曲线），即能力谱［10，13］．采用规范的加速度反应谱建立ADRS格式的需求谱，此过程由SAP2000程序自动完成．图5为该结构罕遇地震作用下对应的ATC-40［11］能力谱．图5中A系列线表示为不同阻尼的需求谱族曲线，其值不影响性能点的求解．过原点发射状的B系列曲线代表不同的周期，这是将谱加速度周期曲线转换为谱位移谱加速度曲线后周期的表现形式，其值也不影响性能点的求解．C曲线由基底剪力顶点位移曲线转换得到，反应了结构物刚度的减小直至图5ATC-40能力谱Fig.5ATC-40capacity spectrum 失去承载力的过程，代表了结构抵抗水平力（地震力）的能力．D曲线为变阻尼的需求谱曲线，体现了此结构在不同地震水平下的地震需求，是通过曲线C和A得到的．曲线C与D的交点为性能点，代表了在某一地震水平下结构物特定的反应．经Pushover分析后得到结构的性能点，通过性能点来检验结构的抗震能力．若两曲线没有交点则表示此结构的抗震能力不足，需要重新设计．根据性能点的信息，通过以下3个方面指标对结构的抗震性能进行评价［14］：1）顶点位移是否满足抗震规范规定的弹塑性顶点位移限值；2）顶点位移层间位移角是否满足抗震规范规定的弹塑性层间位移角限值；3）构件的局部变形指梁、柱等构件塑性铰的变形，需要检验其是否超过某一性能水准下的变形要求．ATC-40将房屋遭受地震后可能出现的状态分为4种：立即居住、损坏控制、生命安全和结构稳定，并给出了梁、柱、墙等构件在这4种相应状态下的塑性铰限制．图6为力位移曲线［10］，纵轴表示轴力、弯矩、剪力等，横轴表示横向变形、曲率、转角等，其中，B、IO、LS、CP和C为性能点，A 点为原点，B点为出现塑性铰，C点为倒塌点，D 点为残余强度，E点表示完全失效，点IO、LS和CP代表铰的能力水平，其分别对应于直接使用、生命安全和防止倒塌，各性能点所对应的横坐标为相应的弹塑性位移限制．图6力位移曲线Fig.6Force versus displacement curve3.1基底剪力顶点位移曲线由上述方法可以得到罕遇地震、多遇地震及设防地震作用下所对应的性能点，如图7所示．由图7可以看出：1）在多遇地震作用下，整体结构保持弹性．2）在设防烈度地震作用下，BRB屈服，框架仍然保持弹性．这是因为BRB的率先屈服在框架中耗能，起到结构“保险丝”的作用，使框架梁、框架柱等主体结构不屈服而保持弹性工作状495沈阳工业大学学报第34卷图7基底剪力顶点位移Fig.7Base shear force versus vertex displacement态．此外，由于BRB受压受拉均不屈曲，一般情况下，此时的BRB产生的塑性变形均不大，经检查后大部分还可以继续使用，因此，BRB又具有一定的经济性．3）在罕遇地震作用下，框架梁、柱均开始屈服，但整体结构不倒塌，使结构真正做到了大震安全．3.2侧向力作用下结构变形发展历程在Pushover工况下，塑性铰的发展顺序为：首先在框架中BRB达到了屈服，随后在框架梁（见图8）、框架柱（见图9）中依次出现塑性铰．对于梁铰，首先出现在一层梁端，然后向上发展，出现在二层梁端；对于柱铰，首先在底层柱底出现，直至最终也只在底层柱底出现塑性铰．由此表明：BRB先与框架屈服，发挥了第一道抗震防线的作用，起到了保护主体结构的功效．结合图7可以看出，在结构进入罕遇地震时，框架梁、柱均出现了塑性铰，结构已经进入塑性，但从图9可以看出，塑性铰均处在防倒塌点范围内（均处在B阶段），因此，可以保证结构在罕遇地震下安全．图8框架梁出现塑性铰Fig.8Plastic hinge appeared on framebeam图9框架柱出现塑性铰Fig.9Plastic hinge appeared on frame column 3.3结构层间位移角层间位移角是大震下抗倒塌演算的标准之一，因此，弹塑性层间位移角限值就显得尤为重要．在弹性层间位移满足要求的同时，罕遇地震作用下结构层间位移角限值为1/50．表1为罕遇地震作用下层间侧移和层间位移角．从表1中可以看到，在罕遇地震作用下，结构各层的层间位移角均小于1/50，均满足抗震规范的要求，即实现了罕遇地震下抗震设防的要求．表1罕遇地震作用下层间侧移和层间位移角Tab.1Storey drift and storey drift angleunder rare seismic action层号x向侧移/mm层间位移角3144．31/1142104．51/76145．31/1004结论本文对设置了屈曲约束支撑的3层钢管高强混凝土框架结构进行了Pushover分析，并对该结构进行了抗震性能评价，得出以下结论：1）BRB作为解决结构抗震性能问题的新方法具有显著的效果，其在弹塑性工作阶段，变形能力强，滞回性能好，发挥了性能良好的阻尼器的作用，能显著提高建筑物的抗震性能．2）Pushover分析表明，结构中塑性铰出现的先后顺序为BRB、框架梁和框架柱，该屈曲约束支撑钢管高强混凝土框架结构具有较好的延性，在多遇地震和罕遇地震作用下结构的受力性能均满足结构抗震性能目标的要求．参考文献（References）：［1］钟善桐．钢管混凝土结构在我国的应用和发展［J］．建筑技术，2001，32（2）：80－82．（ZHONG Shan-tong．Application and development inChina of concrete filled steel tubular structure［J］．Architecture Technology，2001，32（2）：80－82．）［2］翰林海，林皋．钢管高强混凝土结构的特点和发展［J］．钢结构，1999，14（1）：38－45．（HAN Lin-hai，LIN Gao．Character and developmentof high strength concrete filled steel tubes［J］．SteelConstruction，1999，14（1）：38－45．）［3］Xie Q．State of the art of buckling-restrained braces in Asia［J］．Journal of Constructional Steel Research，2005，61（6）：727－748．［4］Kimura K，Yoshizaki K，Takeda T．Tests on braces encased by mortar infilled steel tubes［C］//Summa-ries of Technical Papers of Annual 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