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(chǎng)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(duì)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?cè)诳拐鹪O(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(duì)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(duì)稱性往往會(huì)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(duì)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(duì)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?jī)?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(duì)構(gòu)件進(jìn)行加固，而忽視對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性能提高進(jìn)行評(píng)估。單純對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加固對(duì)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。
（二）支撐布置原則
增設(shè)的中心支撐和偏心支撐對(duì)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(duì)稱，使得加入支撐后結(jié)構(gòu)水平兩個(gè)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(gè)影響因素：支撐形式、消能梁段的長(zhǎng)度和截面特性。當(dāng)三個(gè)參數(shù)確定，鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的其它方面可按對(duì)上述三個(gè)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(gè)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(zhǎng)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(duì)支撐進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。
1、消能梁段的長(zhǎng)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(zhǎng)度關(guān)系很大。消能梁段的長(zhǎng)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)橹味纬傻南芰憾翁帲渌苄院哪苣芰ψ顝?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(huì)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度增長(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)和對(duì)結(jié)構(gòu)總體剛度增長(zhǎng)的效果。
?。ㄒ唬╀摽蚣苣Ｐ徒⑴c分析
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(duì)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(jí)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。
（三）結(jié)果分析
顯然，塑性鉸的大幅減少說明偏心支撐對(duì)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(gè)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(duì)其適當(dāng)加強(qiáng)。
消能兩端的長(zhǎng)度取值對(duì)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(gè)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)。
（二）結(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(huì)出現(xiàn)剛度相對(duì)不足，仍應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。
