带BRB的大跨度空间钢桁架结构减震性能分析
;乔丽梅
【摘 要】以大跨度空间钢桁架结构为研究对象,考虑钢桁架屋盖与支承结构共同工作,采用非线性时程分析的方法,研究屈曲约束支撑在整体结构中的应用及减震效果.通过对不同的BRB布置方案进行分析得出:BRB的布置方式直接影响其对整体结构的减震效果.仅在上部桁架中设置BRB时,减震效果有限;在下部支承结构中设置BRB可有效减小结构水平位移和钢桁架杆件的内力.综合考虑减震效果和经济因素,对于大跨度空间钢桁架整体结构,在下部支承结构中合理布置BRB,减震效果理想. 【期刊名称】《兰州理工大学学报》 【年(卷),期】2015(041)005 【总页数】5页(P120-124)
【关键词】大跨空间钢桁架;整体协同工作;屈曲约束支撑;减震性能 【作 者】;乔丽梅
【作者单位】兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州730050;西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州730050;兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州730050;西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃兰州730050 【正文语种】中 文
【中图分类】TU312;TU391 Key words: large-span spatial steel truss structure; overall cooperative work; buckling restrai
ned braces; damping performance
近30年来，中国空间结构蓬勃发展，其建筑形式丰富多彩，建造数量居世界之首，相应的理论研究也逐步完善.曹资、张毅刚等[1]对双层圆柱面网壳在地震作用下的反应进行了研究，结论表明网壳内力随跨度增大而增大，随厚度增大而减小.薛素铎、王健宁等[2]对钢网壳弹塑性地震反应进行分析，表明网壳杆件在强震作用下进入塑性，杆件屈服将造成其他杆件内力重分布.张超等[3]对钢网壳屋盖与混凝土支承体系整体工作性能进行分析，得出对钢网壳屋盖按固定铰支简化模型计算结果很不安全，必须考虑下部支承结构的共同作用.江磊、吴长等[4-5]把屈曲约束支撑应用于柱面网壳的抗震中，并对其减震效果进行研究，结果表明屈曲约束支撑可有效减小网壳杆件内力及关键节点位移.然而，目前的这些研究多以网壳结构为研究对象，而对空间桁架结构形式的研究并不多，且目前空间结构整体工作性能的研究模型多以柱代替整个下部支承体系，无法真实反映实际下部支承体系与钢屋盖结构的动力相互作用.由此可见，大跨度空间结构的整体工作理论和抗震性研究尚不成熟，仍有待进一步开展.
本文研究以一大跨度空间钢桁架结构为分析对象，结构下部支承体系为5层钢筋混凝土框架，通过在该结构中布置屈曲约束支撑(简称BRB)改变结构的抗震性能.在强震作用下对不同BRB布置方案做非线性时程分析及对比，研究BRB对整体结构的减震性能，为今后的工程设计提供参考. 原始空间结构能量平衡方程为： 空间结构中加入BRB后能量平衡方程为
式中：Ei表示地震过程中输入结构体系的总能量；分别表示结构体系的弹性应变能；分别表示结构体系的动能；分别表示结构体系粘滞阻尼耗能；分别表示结构体系滞回耗散的能量；Ed表示屈曲约束支撑吸收耗散的能量.
由式(1)可知，输入到结构中的能量分为4部分.在这4部分能量中，结构的弹性应
变能Ee和动能Ek只能进行能量的相互转化，并不参与耗能；结构体系粘滞阻尼耗能Ec只占总能量的5%左右，因此能量的耗散主要依靠于结构自身的滞回耗能Eh. 因此对比式(1,2),有关系式：
滞回耗能因结构变形而引起，因此屈曲约束支撑的耗能能力的大小Ed将直接影响结构抗震性能的优劣(或结构的破坏程度).屈曲约束支撑的耗能大小可用滞回曲线包络图来衡量，滞回曲线越饱满，滞回环数越多说明其所耗散的地震能量越多，主体结构越安全.屈曲约束支撑所耗散的能量为
式中：n、ψ分别表示屈曲约束支撑的总数和同时工作系数，ψ一般取0.4~0.6；m表示屈曲约束支撑滞回循环数，工程中保守设计取为50；Edi表示单个屈曲约束支撑循环一周所耗散的能量.
以结构动力响应峰值缩小比率来衡量BRB对大跨度空间桁架结构的减震性能，由β表示减震率：
式中：U1表示不带BRB的结构动力响应峰值；U2表示带BRB的结构动力响应峰值.
以敦煌国际会议中心2号楼1区初设结构为工程背景.该结构为地上5层，钢筋混凝土框架结构，建筑高度51.4 m.屋盖采用4坡的空间钢桁架轻钢屋面，纵向6榀，横向9榀，4条屋脊处各1榀，仅横向中间榀两端无柱支承.每榀桁架悬挑8.4 m，钢构件材质为Q345-B,杆件截面尺寸均按初设尺寸大小.图1为本工程的整体三维模型.
采用大型通用软件ANSYS进行模拟分析.梁柱的模型单元采用Beam188；板单元采用Shell63；上部钢桁架全部采用相贯节点，故同样采用Beam188单元；所有荷载及自重均等效为节点集中质量，采用Mass21单元；BRB采用Link180单元.桁架中BRB内核屈服强度为100 MPa，下部支承结构中所加BRB内核屈服强度为160 MPa.杆件材料本构关系采用理想弹塑性模型，屈服准则采用Von Mises
屈服准则，钢材的弹性模量取为2.06×1011N/m2，采用瑞利阻尼，整体结构的振型阻尼比取为0.035.进行8度抗震设防烈度下的动力弹塑性分析，选用三向的EL-Centro地震波模拟地震作用，峰值加速度取为400 Gal；三向峰值加速度比值为1∶0.85∶0.65，时间间隔为0.02 s，总持时12 s.
BRB对整体结构减震效果的影响，其中主要的一个方面在于支撑的布置位置，不同的支撑布置位置将对结构产生不同的影响.本文BRB的3种具体布置方式见图2.通过对整体结构模型的弹塑性时程分析可知，各榀桁架的杆件受力规律大致相同：下弦杆动内力较大，上弦杆次之，腹杆受力适中，悬挑段杆件动内力要比非悬挑端小的多.对非悬挑部分下弦杆来说，轴力由顶部至支座逐渐增大；对上弦杆来说，轴力峰值大致出现在顶部到支座处的1/4及3/4处；对腹杆来说，支座部位的杆件受力较大，其余区域受力相对较小.考虑到BRB屈服强度低，承载力较弱，不宜替换受力较大的上下弦杆，同时为了结构安全，直接和支座相连的腹杆亦不宜用BRB来替换，所以替换靠近支座处的腹杆[6-7].故方案1在上部钢桁架中布置BRB，除四周边榀外的其余各榀每榀替换4根杆件，以⑤轴横向半榀为例示意，粗实线为BRB，采用等截面替换.
由于桁架水平向位移主要是由下部支承结构的附加惯性效应引起，因此方案2、3是在下部支承结构中布置BRB，采用双向对称布置，支撑竖向连续，屈服承载力取为1 800 kN.方案2：x向第3、5跨，y向第2、4跨间设置BRB1单斜撑.方案3：x、y方向均在中间跨设置人字撑BRB2.
上部各榀桁架对称分布，各榀受力规律大致相同，因此以横向中部榀为例说明.从表1和图3数据可知，方案1水平向位移基本无变化；方案2、3水平向位移明显减小，方案2减震效果优于方案3，但差别不大.方案2的x、y向位移减震率分别达到了19.31%、35.82%，水平向位移峰值显著降低.
由图4可见，方案1位于非悬挑部分节点的竖向位移明显增加，最大值由
45.86 mm增至59.37 mm，悬挑部分节点的竖向位移变化微小.主要是由于替换的BRB杆件屈服强度低，承载力低，降低了竖向刚度.方案2与方案3对非悬挑部分节点的竖向位移影响不大，部分节点的竖向位移有所减小，但峰值处位移并未减小；悬挑部分节点的竖向位移显著减小，且方案2效果好于方案3，位移减震效果最大达到24.33%.
从位移减震效果来看，在下部支承结构中布置BRB效果要好于在上部桁架中布置BRB，且方案2比方案3效果稍好.
在整个时间历程的不同时刻各杆件的轴力变化不同，因此取杆件轴力最大时刻的荷载子步数据作分析，以横向中部榀为例.由图5滞回曲线可知BRB可有效地耗散地震能量，其耗散能量的大小可按式(4)计算，滞回曲线越饱满说明其所耗散的地震能量越多，主体结构越安全.
由图6可见，对于上弦杆来说，原结构杆件轴力均在550 kN以内，轴力峰值位于杆4和杆9，方案1对于杆4和杆9轴力减震率β分别达到5.39%、5.90%；方案2对于杆4和杆9轴力减震率β分别达到8.21%和16.74%；方案3对于杆4和杆9轴力减震率β分别达到8.34%和7.68%.
对于下弦杆来说，原结构的轴力均在950 kN以内，明显大于上弦杆轴力，峰值位于杆6，方案1、2、3对于杆6的轴力减震率β分别达到了2.18%、20.26%、14.23%.
对于腹杆，原结构杆件轴力均在450 kN以内，峰值位于支座处腹杆，无论哪种方案对支座处腹杆轴力均没有减震效果，方案1反而使支座处竖向腹杆受力增大.对于顶部腹杆1~11，各方案均体现出了不同的减震效果，以方案2减震效果最为明显，方案2对腹杆2的轴力减震率达到27.34%.图7为上、下弦杆轴力最大杆件轴力时程对比曲线.从轴力减震效果来说，方案2、3优于方案1，而方案2效果最好.
各方案分析结果表明：在上部桁架中加入屈曲约束支撑对下部支承结构基本没有影响；在下部支承结构中加入BRB可有效地减小多层结构的层间位移角[8-9].方案2、3对层间位移角的减震效果基本相同，方案2略好，故仅以方案2效果作说明.表2、3分别为方案2在x、y向的层间位移角与原结构对比结果.位移角减震率同样以β表示.由表2、3可看出y向的层间位移角减震率优于x向的层间位移角减震率.x、y向的层间位移角减震率均在顶层(第5层)达到最大.x向位移角减震率最大达到33.43%；y向位移角减震率最大达到42.08%.位移角的显著减小表明在下部结构中加入BRB可有效地减小主体结构遭受破坏的程度.
以敦煌文化论坛国际会议中心2号楼1区工程的初步设计方案为工程背景，对屈曲约束支撑在大跨度空间钢桁架整体结构中的减震效果进行研究，通过不同的屈曲约束支撑布置方案对比分析，可以得到以下几点.
对于大跨空间钢桁架结构，在钢桁架屋盖结构中设置BRB减震效率低，在下部支承结构中布置BRB对上下部结构都有显著的减震效果.
在下部支承结构中设置BRB，对上部钢桁架x、y向最大位移减震率可分别达到19.31%、35.82%；对上弦杆、下弦杆和腹杆最大轴力减震率可分别达到16.74%、20.26%及27.34%，可见对受力最大的下弦杆减震效果明显.同时，下部结构各层层间位移角显著减小，x、y向层间位移角最大减震率可分别达到33.43%、42.08%.
综合来看，在下部支承结构各向中部位置设置BRB单斜撑，无论是从减震效果还是从经济效应上都明显优于在上部桁架中设置BRB.
【相关文献】
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