RC-BRB框架体系抗震性能分析

(山东建筑大学土木工程学院 山东 济南 250101)

引言

消能减震技术[1]作为一种结构被动控制措施，在结构中有效位置布置消能器，利用其在地震中在结构主体进入非弹性状态前先进入耗能工作状态，使作用在主体结构上的地震能量大幅降低，从而降低结构反应，达到安全性目标。目前，消能减震技术发展迅速，在高烈度区应用愈加广泛。建筑消能减震技术规程的实施为这项技术的应用提供了可靠的保证。清华大学叶列平教授、陆新征教授等对高烈度区实际工程采用BRB的结构进行了详细的动力弹塑性分析[2]，对该项技术在实际工程的应用起到了借鉴作用。

一、工程概况

抗震设防烈度为8度(0.2g)地区的钢筋混凝土框架结构，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类。框架结构的抗震等级设定为一级，特征周期为0.55s，因此通过布置防屈曲约束支撑(BRB)以增加整体结构的安全性。BRB在多遇地震下不进行耗能，仅提供结构刚度，在设防地震、罕遇地震下进行屈服耗能[3]。

二、RC-BRB框架体系模型建立

通过PKPM-SATWE的弹性计算结果，屈曲约束支撑设计布置应符合：多遇地震下主体结构仍保持弹性，且非结构构件无明显损坏；罕遇地震下，BRB能有效进入耗能阶段；根据地震作用和层间位移限制等在合适位置布置选择适当数目的BRB；BRB布置在层间相对位移楼层，以提高减震效率[4]；针对薄弱层采取加强措施。

(一)布置方案

根据建筑要求将36组屈曲约束支撑安装在原结构上，屈曲约束支撑型号吨位一致[5]。屈曲约束支撑具体数量确定主要以原结构(PKPM模型)的各层间剪力和位移角作为依据，屈曲约束支撑规格如表1所示。

表1 屈曲约束支撑布置参数

(二)地震波的选取

根据《建筑抗震设计规范》[6]规定，筛选出5条天然波和2条人工波，7条时程反应谱和规范反应谱曲线对比如图2所示。

图1 平均反应谱与规范反应谱对比

(三)模型建立

根据结构分析特点，建立的结构PERFORM-3D模型如图3所示。

三、RC-BRB框架体系抗震性能分析

(一)ST1消能减震结构罕遇地震响应分析

选择地震响应相对较大的AW1、EL、TAFT进行罕遇地震作用下的弹塑性动力时程分析，保留其波峰特征及有效持时的前提下统一截取其20s时长进行弹塑性计算，其计算结果发现最大层间位移角为：AW1在X向为1/175；EL在Y向为1/151；TAFT在Y向为1/151。

由上述AW1、EL、TAFT中的三条时程波在罕遇地震作用下X、Y向的计算结果可知，消能减震结构(ST1)的层间位移角都满足规范1/100的限值要求，这充分说明结构采用BRB进行消能减震设计是切实有效的。

(二)结构损伤

以反应最大的AW1时程波为代表，对消能减震结构进行罕遇地震作用下的弹塑性屈服机制分析[7]。其中图4为整体结构X向随时间步长增加20s时的弹塑性发展示意图。

图2 结构PERFORM-3D模型

图3 X向塑性铰20s发展示意图

设置屈曲约束支撑的消能减震结构在罕遇地震作用下呈现“强柱弱梁”的塑性铰发展机制，塑形铰承载力未明显降低，且在结构中的带屈曲约束支撑的子框架部分梁柱塑形铰大部分处于IO状态，未达到极限承载力出现破坏，为此结构设计时应提高子框架梁的配筋(正负配筋不得小于3000mm2)，柱的配筋率不得小于3%，梁柱箍筋通长加密，间距不大于100mm，使其满足《建筑消能减震技术规程》中的要求。

(三)BRB滞回耗能

在罕遇地震作用下，取AW波X、Y方向各一个屈服力最大的屈曲约束支撑，做出其在8度(0.2g)罕遇地震下的滞回曲线，如图8所示。

图4 AW时程波作用下X向BRB滞回曲线

BRB在8度(0.2g)罕遇地震作用下有效参与结构耗能，与原结构相比能够明显减小整体变形，并且在塑形铰分布规律来看，框架梁柱的塑形铰处于非严重降低的状态。

四、结论

(1)在结构中共设置屈曲约束支撑36个，通过七条时程波的计算分析，得出多遇地震作用下AW1波、EL波和TAFT波分析结果最大，以其最为罕遇地震分析地震波。RC-BRB框架结构体系在8度(0.2g)罕遇地震时X、Y向最大层间位移角均满足规范的1/100要求。

(2)基于多遇、罕遇地震作用下原结构与消能减震结构地震响应分析表明，结构采用屈曲约束支撑减震设计之后，较好地改善了原结构薄弱层的抗震性能。结构中子框架部分已达到极限承载力，设计时应考虑配筋加强措施，柱配筋率不得小于3%，可通过加固钢板使其满足要求，并且箍筋沿柱全长加密。