基于支撑加固的钢框架抗震推覆分析
2015-06-18
引言
在实际工程中, 随着高层和超高层建筑的广泛使用,出现了大量需求各异的建筑功能要求, 或者由于建设场地的限制、城市整体规划布局以及建筑物外观美观等要求, 平面不规则和立面不规则的高层建筑越来越多。在高层结构中，水平荷载尤其是地震作用对结构的承载变形有着巨大的影响, 但由于不规则建筑自身的特点, 使得它们在抗震设计中, 存在以下一些主要危害[1]。第一, 从几何学角度, 不对称结构易引起结构质心与刚心不重合, 导致结构在水平向地震作用下产生巨大的扭转作用； 第二, 结构的不对称性往往会导致部分构件应力集中， 使结构在受到水平向较大的荷载(如地震作用)时这些部位发生严重破坏[2]。基于不规则高层建筑的上述弱点, 本文中采用对框架应力集中部位增设支撑的方式来改善结构的延性并对其在水平向荷载作用下做结构弹塑性性能分析, 得出合理的布置支撑在地震作用下能极大增强结构侧向承载力同时吸收地震能量优先破坏保护竖向称重构件。
支撑加固原理
（一）加固难点
在钢结构加固方面，研究者大多是基于单根构件承载力不足对构件进行加固，而忽视对结构的整体性能提高进行评估。单纯对构件进行加固对结构整体抗震承载力幅度有限，效果并不显著。
钢框架抗震承载力较弱，尤其是不规则结构在水平地震作用下其结构扭转效应明显、水平侧移较大，容易超出规范规定。增设偏心支撑和中心支撑能有效提高框架结构抗震耗能能力并减少侧向位移，但增设位置的选择和支撑数量的确定没有规范的指导，得依靠不断地尝试去确定。
（二）支撑布置原则
增设的中心支撑和偏心支撑对楼层抗侧刚度的增加及刚心的变化影响较大，因此要从提高房屋整体抗震性能出发，在此基础上考虑结构的对称，使得加入支撑后结构水平两个方向上的刚度分布能比较均匀；竖向上防止加固后形成楼层承载力、刚度分布不均匀，遵循“强柱弱梁、强剪弱弯、强结点、强锚固”的原则，保证加固后的结构具有较好的延性，在地震作用下具有较大的内力重分布和耗散地震能量的能力；同时避免构件的过于集中，且竖向从底向上连续布置，为满足层间位移角要求，增设后连续两层刚度相差不超过 70%，连续三层相差不超过 50%。
（三）支撑影响因素
支撑设计时有三个影响因素：支撑形式、消能梁段的长度和截面特性。当三个参数确定，钢框架结构设计的其它方面可按对上述三个方面影响最小的原则来完成。支撑的设计和大多数设计问题一样，是个不断重复进行的迭代过程。设计者根据经验初步选定结构外形，根据抗剪设计的近似计算 ,选择消能梁段的长度和截面。当结构外形和截面尺寸初选后，采用弹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、结构弹性位移和框架构件内力的分布等，对支撑进行合理设计。
1、消能梁段的长度
加入支撑后构件耗散能量的能力与消能梁段的非弹性性能和长度关系很大。消能梁段的长度直接影响框架中其它构件的内力分布。图1定性地给出两种常见的偏心支撑在水平荷载作用下框架梁的内力分布情况,在水平力作用下弯矩和均布剪力最大值出现在结构中部因为支撑而形成的消能梁段处，其塑性耗能能力最强。
当消能梁段较短时，随着水平荷载的增加，消能梁段内的剪力增加，在杆端弯曲破坏之前，会在消能梁段内产生剪切铰，形成剪切梁段；反之，当消能梁段较长时，消能梁段的端部弯矩值较大，在梁段剪切屈服之前将产生弯曲屈曲。试验研究表明 ,剪切屈服型消能梁段对偏心支撑框架抵抗大震特别有利。一方面能使其弹性刚度与中心支撑框架接近;另一方面 ,其耗能能力、延性和滞回性能均优于弯曲屈服型[3]。因此 《,高层民用建筑钢结构技术规程》[4](JGJ99 —98) 第6.5.4条规定：
式(1)
式中: Mlp为全截面的塑性弯矩; Vlp为全截面的塑性剪切强度; a 为消能梁段的长度
2、支撑种类
支撑按布置方式的不同分为偏心支撑和中心支撑两种。中心支撑对结构整体刚度增长贡献大，而偏心支撑的存在能加强结构的塑性耗能能力。
二、钢框架加固实例
钢桁架结构支撑加固是本文的目的，算例采用统一量纲．以常见的具有代表性的一个空间不规则钢桁架结构为例演示优化结果，阐明加入偏心支撑后的结构承载能力的成长和对结构总体刚度增长的效果。
（一）钢框架模型建立与分析
使用通用有限元软件Sap2000建立钢框架结构模型。本结构共有5层，在实际设计中对第一层采取中心支撑，确保结构刚度，防止结构侧移过大；在其余层采取偏心支撑，确保结构足够的延性，保证结构抗震性能。
（二）结构推覆加载
静力推覆分析是结构分析模型在沿结构高度按某种规定分布形式且逐渐增加的侧向力或侧向位移作用下，直至结构模型控制点达到目标位移或结构倾覆位置的分析方法。推覆法分级加载模式可以清晰地判断结构在加支撑前后在不断增大的荷载作用下其结构破坏的过程。
（三）结果分析
显然，塑性铰的大幅减少说明偏心支撑对结构的延性有提高，表明结构在地震作用下能量大幅消耗在各个消能梁段和支撑上以致梁柱处于弹性状态。
可以看出，工况2加入支撑结构在逐渐加载的情况下，支撑的存在使得结构塑性内力重分布时往支撑附近发展，有效地保护了梁、柱结构。底层柱脚节点为罕遇地震作用下该结构的薄弱部位，为确保满足塑性限值要求，可对其适当加强。
消能两端的长度取值对结构的塑性能力重分布起到作用，在规范规定的0.1-0.2范围内还是有显著区别，设计人员应根据不同结构选择合适的支撑布置形式。
三、结论
（一）算例中平面不规则钢框架结构，其结构较柔，底层层间位移过大，不满足规范要求。 利用支撑加固后钢框架沿x、y两个方向的刚度有明显改善，扭转效应减少，层间位移也符合规范要求。支撑加固方案的优化布置经济合理，可以为类似工程的抗震加固提供参考。结果表明，增加结构的外围刚度可有效减少结构的扭转效应。
（二）结构在7度罕遇地震作用下的静力推覆分析结果表明，结构增设支撑部位的底层柱及节点部位会出现刚度相对不足，仍应适当加强。
