基于支撐加固的鋼框架抗震推覆分析
2015-06-18
引言
在實(shí)際工程中, 隨著高層和超高層建筑的廣泛使用,出現(xiàn)了大量需求各異的建筑功能要求, 或者由于建設(shè)場地的限制、城市整體規(guī)劃布局以及建筑物外觀美觀等要求, 平面不規(guī)則和立面不規(guī)則的高層建筑越來越多。在高層結(jié)構(gòu)中，水平荷載尤其是地震作用對結(jié)構(gòu)的承載變形有著巨大的影響, 但由于不規(guī)則建筑自身的特點(diǎn), 使得它們在抗震設(shè)計(jì)中, 存在以下一些主要危害[1]。第一, 從幾何學(xué)角度, 不對稱結(jié)構(gòu)易引起結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心不重合, 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在水平向地震作用下產(chǎn)生巨大的扭轉(zhuǎn)作用； 第二, 結(jié)構(gòu)的不對稱性往往會導(dǎo)致部分構(gòu)件應(yīng)力集中， 使結(jié)構(gòu)在受到水平向較大的荷載(如地震作用)時(shí)這些部位發(fā)生嚴(yán)重破壞[2]?；诓灰?guī)則高層建筑的上述弱點(diǎn), 本文中采用對框架應(yīng)力集中部位增設(shè)支撐的方式來改善結(jié)構(gòu)的延性并對其在水平向荷載作用下做結(jié)構(gòu)彈塑性性能分析, 得出合理的布置支撐在地震作用下能極大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)側(cè)向承載力同時(shí)吸收地震能量優(yōu)先破壞保護(hù)豎向稱重構(gòu)件。
支撐加固原理
?。ㄒ唬┘庸屉y點(diǎn)
在鋼結(jié)構(gòu)加固方面，研究者大多是基于單根構(gòu)件承載力不足對構(gòu)件進(jìn)行加固，而忽視對結(jié)構(gòu)的整體性能提高進(jìn)行評估。單純對構(gòu)件進(jìn)行加固對結(jié)構(gòu)整體抗震承載力幅度有限，效果并不顯著。
鋼框架抗震承載力較弱，尤其是不規(guī)則結(jié)構(gòu)在水平地震作用下其結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯、水平側(cè)移較大，容易超出規(guī)范規(guī)定。增設(shè)偏心支撐和中心支撐能有效提高框架結(jié)構(gòu)抗震耗能能力并減少側(cè)向位移，但增設(shè)位置的選擇和支撐數(shù)量的確定沒有規(guī)范的指導(dǎo)，得依靠不斷地嘗試去確定。
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增設(shè)的中心支撐和偏心支撐對樓層抗側(cè)剛度的增加及剛心的變化影響較大，因此要從提高房屋整體抗震性能出發(fā)，在此基礎(chǔ)上考慮結(jié)構(gòu)的對稱，使得加入支撐后結(jié)構(gòu)水平兩個方向上的剛度分布能比較均勻；豎向上防止加固后形成樓層承載力、剛度分布不均勻，遵循“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)結(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固”的原則，保證加固后的結(jié)構(gòu)具有較好的延性，在地震作用下具有較大的內(nèi)力重分布和耗散地震能量的能力；同時(shí)避免構(gòu)件的過于集中，且豎向從底向上連續(xù)布置，為滿足層間位移角要求，增設(shè)后連續(xù)兩層剛度相差不超過 70%，連續(xù)三層相差不超過 50%。
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支撐設(shè)計(jì)時(shí)有三個影響因素：支撐形式、消能梁段的長度和截面特性。當(dāng)三個參數(shù)確定，鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的其它方面可按對上述三個方面影響最小的原則來完成。支撐的設(shè)計(jì)和大多數(shù)設(shè)計(jì)問題一樣，是個不斷重復(fù)進(jìn)行的迭代過程。設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步選定結(jié)構(gòu)外形，根據(jù)抗剪設(shè)計(jì)的近似計(jì)算 ,選擇消能梁段的長度和截面。當(dāng)結(jié)構(gòu)外形和截面尺寸初選后，采用彈性分析程序算出房屋自振周期、底部剪力、剪力沿高度的分布、結(jié)構(gòu)彈性位移和框架構(gòu)件內(nèi)力的分布等，對支撐進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。
1、消能梁段的長度
加入支撐后構(gòu)件耗散能量的能力與消能梁段的非彈性性能和長度關(guān)系很大。消能梁段的長度直接影響框架中其它構(gòu)件的內(nèi)力分布。圖1定性地給出兩種常見的偏心支撐在水平荷載作用下框架梁的內(nèi)力分布情況,在水平力作用下彎矩和均布剪力最大值出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中部因?yàn)橹味纬傻南芰憾翁?，其塑性耗能能力最?qiáng)。
當(dāng)消能梁段較短時(shí)，隨著水平荷載的增加，消能梁段內(nèi)的剪力增加，在桿端彎曲破壞之前，會在消能梁段內(nèi)產(chǎn)生剪切鉸，形成剪切梁段；反之，當(dāng)消能梁段較長時(shí)，消能梁段的端部彎矩值較大，在梁段剪切屈服之前將產(chǎn)生彎曲屈曲。試驗(yàn)研究表明 ,剪切屈服型消能梁段對偏心支撐框架抵抗大震特別有利。一方面能使其彈性剛度與中心支撐框架接近;另一方面 ,其耗能能力、延性和滯回性能均優(yōu)于彎曲屈服型[3]。因此 《,高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4](JGJ99 —98) 第6.5.4條規(guī)定：
式(1)
式中: Mlp為全截面的塑性彎矩; Vlp為全截面的塑性剪切強(qiáng)度; a 為消能梁段的長度
2、支撐種類
支撐按布置方式的不同分為偏心支撐和中心支撐兩種。中心支撐對結(jié)構(gòu)整體剛度增長貢獻(xiàn)大，而偏心支撐的存在能加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的塑性耗能能力。
二、鋼框架加固實(shí)例
鋼桁架結(jié)構(gòu)支撐加固是本文的目的，算例采用統(tǒng)一量綱．以常見的具有代表性的一個空間不規(guī)則鋼桁架結(jié)構(gòu)為例演示優(yōu)化結(jié)果，闡明加入偏心支撐后的結(jié)構(gòu)承載能力的成長和對結(jié)構(gòu)總體剛度增長的效果。
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使用通用有限元軟件Sap2000建立鋼框架結(jié)構(gòu)模型。本結(jié)構(gòu)共有5層，在實(shí)際設(shè)計(jì)中對第一層采取中心支撐，確保結(jié)構(gòu)剛度，防止結(jié)構(gòu)側(cè)移過大；在其余層采取偏心支撐，確保結(jié)構(gòu)足夠的延性，保證結(jié)構(gòu)抗震性能。
（二）結(jié)構(gòu)推覆加載
靜力推覆分析是結(jié)構(gòu)分析模型在沿結(jié)構(gòu)高度按某種規(guī)定分布形式且逐漸增加的側(cè)向力或側(cè)向位移作用下，直至結(jié)構(gòu)模型控制點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)位移或結(jié)構(gòu)傾覆位置的分析方法。推覆法分級加載模式可以清晰地判斷結(jié)構(gòu)在加支撐前后在不斷增大的荷載作用下其結(jié)構(gòu)破壞的過程。
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顯然，塑性鉸的大幅減少說明偏心支撐對結(jié)構(gòu)的延性有提高，表明結(jié)構(gòu)在地震作用下能量大幅消耗在各個消能梁段和支撐上以致梁柱處于彈性狀態(tài)。
可以看出，工況2加入支撐結(jié)構(gòu)在逐漸加載的情況下，支撐的存在使得結(jié)構(gòu)塑性內(nèi)力重分布時(shí)往支撐附近發(fā)展，有效地保護(hù)了梁、柱結(jié)構(gòu)。底層柱腳節(jié)點(diǎn)為罕遇地震作用下該結(jié)構(gòu)的薄弱部位，為確保滿足塑性限值要求，可對其適當(dāng)加強(qiáng)。
消能兩端的長度取值對結(jié)構(gòu)的塑性能力重分布起到作用，在規(guī)范規(guī)定的0.1-0.2范圍內(nèi)還是有顯著區(qū)別，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)不同結(jié)構(gòu)選擇合適的支撐布置形式。
三、結(jié)論
?。ㄒ唬┧憷衅矫娌灰?guī)則鋼框架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)較柔，底層層間位移過大，不滿足規(guī)范要求。 利用支撐加固后鋼框架沿x、y兩個方向的剛度有明顯改善，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)減少，層間位移也符合規(guī)范要求。支撐加固方案的優(yōu)化布置經(jīng)濟(jì)合理，可以為類似工程的抗震加固提供參考。結(jié)果表明，增加結(jié)構(gòu)的外圍剛度可有效減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
?。ǘ┙Y(jié)構(gòu)在7度罕遇地震作用下的靜力推覆分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)增設(shè)支撐部位的底層柱及節(jié)點(diǎn)部位會出現(xiàn)剛度相對不足，仍應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。
