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美國防屈曲支撐框架設(shè)計應(yīng)用的原則有哪些？

發(fā)布時間：2022-04　　瀏覽：1075

工程師們進(jìn)行防屈曲支撐設(shè)計時需要先進(jìn)行分析，本文主要介紹美國防屈曲支撐框架應(yīng)用的分析原則。

 

BRB基本受力行為

中心支撐框架CBF應(yīng)用很普遍，但其非線性抗震反應(yīng)很大取決于支撐的屈曲，進(jìn)而導(dǎo)致框架強(qiáng)度和剛度退化。盡管BRBF在形式上是中心支撐桿件，但是即使與特殊中心支撐框架SCBF（中心屈曲支撐延性最好的類型）相比，行為上也差別顯著。

為了解決和消除支撐發(fā)生屈曲這種不希望的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，BRB設(shè)計成可以承受軸向壓力而不發(fā)生屈曲。如圖1所示，將軸向承載機(jī)制與軸向屈曲約束機(jī)制（屈曲剛度）分離。

鋼芯可以具有多種截面形狀，例如鋼板、T型、十字型，承受軸向力。BRB核芯沿長度有幾個確定的區(qū)域，保證滯回反應(yīng)特征。受拉有利的同時，BRB核芯具有屈服區(qū)域，在BRB長度中部有一個減小的面積。用于保證非線性反應(yīng)限于BRB部分，包含在約束機(jī)制范圍內(nèi)。屈服范圍必須具有恒定的截面，塑性應(yīng)變沿屈服區(qū)均勻分布。此外，塑性長度必須使附加的BRB應(yīng)變不導(dǎo)致核芯破壞。在屈服區(qū)域外，核芯截面在轉(zhuǎn)換區(qū)域增加。這些區(qū)域在約束機(jī)制中部分約束，即使屈服區(qū)發(fā)生應(yīng)變強(qiáng)化仍能保持彈性。加強(qiáng)BRB兩端的連接區(qū)域以防止局部屈曲，同時方便螺栓、鉚接、或鉸接到周邊支撐框架的梁柱。

圖1 常見BRB組件

防止構(gòu)件屈曲的剛度一般的由鋼管混凝土提供。這種約束機(jī)制必須設(shè)計成適當(dāng)?shù)膭偠确乐咕植亢驼w失穩(wěn)。核芯軸向上與約束機(jī)制解耦，在核芯和約束機(jī)制間提供縫隙，滿足核芯受壓是泊松Poisson 擴(kuò)張，保證約束機(jī)制在較大變形水平時承擔(dān)顯著的軸向力。

圖 2 典型 BRB 力-變形行為

受壓及受拉BRB屈服時，BRBF表現(xiàn)出延性滯回形態(tài)，能量耗散明顯。典型的力-變形行為在圖2中顯示，滯回行為和應(yīng)變強(qiáng)化效果很明顯。BRB展示各向同性和隨動強(qiáng)化的復(fù)合效果，因?yàn)镻oisson膨脹以及在核芯和約束機(jī)制結(jié)合處的摩擦，典型行為受壓比受拉強(qiáng)度高一點(diǎn)。在AISC抗震規(guī)范中，BRB循環(huán)行為包括應(yīng)變強(qiáng)化，用受壓強(qiáng)度調(diào)整系數(shù)β及應(yīng)變強(qiáng)化調(diào)整系數(shù)ω來量化。



BRBFs分析指導(dǎo)

在分析結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)時，必須滿足ASCE 7 定義的分析方法、建模準(zhǔn)則及其他要求。ASCE 7 提供三種分析方法，表12.6-1 列出了對不同參數(shù)條件下的分析方法。參數(shù)條件包括抗震設(shè)計類別SDC、風(fēng)險級別、施工類型、高度、不規(guī)則性。三個分析方法是（1）等效橫向荷載ELF方法 -- ASCE 7 $12.8；（2）振型反應(yīng)譜（MRSA）方法 -- ASCE 7 $12.9；（3）地震反應(yīng)時程方法 -- ASCE 7 第16章，包含線性和非線性方法。BRBF結(jié)構(gòu)一般使用ELF方法和MRSA方法。

ASCE 7 表 12.6-1 允許的分析方法

P：允許   NP：不允許。其中 

彈性分析

ELF和MRSA方法都是彈性分析方法，按ASCE 7，是基于用反應(yīng)修正系數(shù)R折減地震力。對一些單元BRBF系統(tǒng)之外的單元（例如連接件），設(shè)計時ASCE7 和 IBC需要放大地震荷載，即彈性結(jié)果乘以超強(qiáng)系數(shù)。同樣的按ASCE 7確定BRBF設(shè)計位移時，近似將彈性分析變形結(jié)果乘以變形放大系數(shù)給出。對BRBF系統(tǒng)對應(yīng)的、、值在ASCE 7 表12.2-1 定義。

盡管ELF方法最簡單，ASCE 7 表12.6-1 對其使用范圍有限制。使用MRSA方法則沒有限制。隨現(xiàn)代商業(yè)結(jié)構(gòu)分析軟件的應(yīng)用，MRSA方法比ELF方法可能只需要很少的額外時間和努力。對BRBF系統(tǒng)，特別是高層建筑，MRSA方法比ELF提供更經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)確的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計。當(dāng)使用ELF方法時，ASCE7中BRBF系統(tǒng)指定 =0.03來計算近似的結(jié)構(gòu)基本周期，與指定到傳統(tǒng)的中心支撐框架CBF體系值0.02不同（在ASCE 7表12.8-2 其他結(jié)構(gòu)系統(tǒng)）。系數(shù)區(qū)別反映了BRBF系統(tǒng)通常更柔，因此需要比CBFs更大的自振周期。

與其他CBFs類似，BRBFs一般柱子模擬為沿高度按連續(xù)的框架，假定柱底部鉸接，梁和支撐端部連接鉸接。盡管梁端部連接可能有明顯的彎矩傳遞，特別是當(dāng)用連接板連接BRBs到梁柱節(jié)點(diǎn)，該組件的這種機(jī)制抵抗的樓層剪力部分在彈性范圍內(nèi)一般比較小。當(dāng)使用彈性分析方法確定基本周期和BRBF構(gòu)件變形時，忽略框架（抗彎）行為是合理的。

BRBF系統(tǒng)建模分析要重點(diǎn)考慮的一個因素是BRB的彈性剛度。如圖1，BRB是非均勻構(gòu)件，分為屈服核心區(qū)域、轉(zhuǎn)換區(qū)域、連接區(qū)域三個區(qū)，必須考慮每個區(qū)以確定準(zhǔn)確的實(shí)際剛度。分析模型需要計入實(shí)際BRB剛度，一般用剛度修正系數(shù)KF乘以核芯面積Asc實(shí)現(xiàn)。使用KF模擬均勻桁架單元的彈性剛度符合實(shí)際的非均勻BRB單元彈性剛度。

取決于YLR、BRB幾何、端部連接構(gòu)造、甚至制造商，及其他因素，BRB剛度修正系數(shù)可能變化。不同類型的BRBs將有不同剛度修正系數(shù)，一個建筑中BRBs可能需要多個KF值。KF合理的范圍一般在1.3和1.7之間。設(shè)計工程師需要與BRB制造商緊密合作，理解實(shí)際BRB剛度，確定實(shí)際分析和設(shè)計中適當(dāng)?shù)膭偠刃拚禂?shù)。BRB制造商提供便利的設(shè)計幫助，對給定工程項(xiàng)目準(zhǔn)確評估KF值。此外也可以直接將BRB核芯模擬成非均勻構(gòu)件，更準(zhǔn)確的體現(xiàn)BRB的彈性剛度。

基于BRB預(yù)期變形，有效考慮最大BRB內(nèi)力需要指定KF值的容許誤差。對于這個問題，AISC抗震設(shè)計手冊（AISC2012）提供下列準(zhǔn)則：設(shè)計者不應(yīng)該做邊界分析，或者在設(shè)計梁、柱、連接時，過度強(qiáng)調(diào)（彈性剛度和屈服強(qiáng)度）變化效果，計入最大支撐力除外。在許多系統(tǒng)的抗震設(shè)計中，剛度變化一般（可靠的）忽略，且使用彈性方法表示非線性反應(yīng)中影響最小。AISC抗震設(shè)計指南要點(diǎn)是，設(shè)計工程師不需要進(jìn)行無止境的參數(shù)迭代，研究無數(shù)的組合以尋找對KF值非常精確的容許誤差。鼓勵設(shè)計工程師考慮和了解一般的模型結(jié)果中BRB剛度的敏感性分析，達(dá)到一個合理的誤差。目前實(shí)踐中通常允許近似  BRB剛度誤差為+/- 10%，來計入KF值和Asc的變化。設(shè)計工程師需要基于特定項(xiàng)目的特定條件，確定對KF值容許誤差。

說明：了解BRB剛度的容許誤差

當(dāng)確定KF值的容許誤差時，設(shè)計工程師應(yīng)該考慮BRB剛度變化對整體結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響，而不是局部反應(yīng)。如果所有的BRB比實(shí)際分析中用的剛度都更大，結(jié)構(gòu)周期變短，設(shè)計工程師需要考慮是否這種變化導(dǎo)致設(shè)計基底剪力以及BRB設(shè)計內(nèi)力更大。如果所有的實(shí)際BRB都有比實(shí)際分析中具有較小的剛度，結(jié)構(gòu)周期長更柔。 設(shè)計工程師應(yīng)該考慮是否這種結(jié)果由于設(shè)計基底剪力變小而導(dǎo)致的橫向樓層側(cè)移減小。

非線性分析

盡管在典型的BRBF設(shè)計中不常用，當(dāng)需要更多考慮經(jīng)濟(jì)性，或當(dāng)非常不規(guī)則的組件需要校核時，非線性時程反應(yīng)分析（NRHA）對基于性能設(shè)計是非常有價值的分析工具。不同于ELF和MRSA方法使用彈性分析評估非線性反應(yīng)，NRHA方法在分析中直接考慮非線性和二階效應(yīng)，因此給出更精確的樓層位移角、BRB應(yīng)變、梁柱撐的力和彎矩。使用NRHA方法有下列好處：

-  檢查及減少在單一樓層或少數(shù)幾層的位移角集中。
-  允許使用更柔的體系，這在使用彈性分析方法是不允許的。
-  直接量化樓層位移角和BRB應(yīng)變需求，正常情況這比用放大彈性分析結(jié)果得到的預(yù)估應(yīng)變值要小。小的BRB應(yīng)變需求導(dǎo)致較少的應(yīng)變強(qiáng)化以及設(shè)計梁、柱、連接時的BRB內(nèi)力減小。

-  直接評估BRB累計延性需求。盡管BRBs有較大累計延性能力，能保持在多個較大地震不破壞，在一些特殊場景可能需要直接考慮累計延性需求。

對精確的非線性分析，推薦下列項(xiàng)：
-  應(yīng)該用非線性桁架或框架單元模擬BRBs。BRBs有相對簡單的滯回反應(yīng)：對細(xì)部處理合理的組件，彈塑性具有應(yīng)變強(qiáng)化，沒有強(qiáng)度和剛度退化。可以用商業(yè)結(jié)構(gòu)分析軟件獲得合理精度的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。BRB循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為數(shù)值模型的基礎(chǔ)，特別注意BRB中應(yīng)變強(qiáng)化的建模，循環(huán)反應(yīng)符合BRB試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù)調(diào)校到符合往復(fù)加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常關(guān)鍵，因?yàn)閮H調(diào)校骨架曲線將不足以提供合理的模型。用于設(shè)計的商業(yè)結(jié)構(gòu)分析軟件一般包含一系列選項(xiàng)，用于模擬鋼的硬化行為，需要認(rèn)真評估BRB建模，保證在全范圍內(nèi)具有行為合理的反應(yīng)。例如，當(dāng)用隨動強(qiáng)化模擬非線性BRB行為時，如果使用不適當(dāng)?shù)那髣偠龋Ｐ筒粩鄰?qiáng)化可能導(dǎo)致BRB大變形時具有不合理的很大內(nèi)力水平。過分考慮BRB強(qiáng)化可能導(dǎo)致不必要的較大連接設(shè)計內(nèi)力，也可能導(dǎo)致不現(xiàn)實(shí)的BRB強(qiáng)度和剛度，導(dǎo)致過小的位移角需求及過多的倒塌能力。
-  應(yīng)該使用非線性框架單元模擬梁柱。特別的，當(dāng)相鄰樓層發(fā)生顯著位移時，非線性柱的行為很重要。盡管BRBFs中梁柱設(shè)計中保持名義彈性，實(shí)際非線性抗震需求與設(shè)計中使用的力分布不匹配，可能在BRBs外周邊框架發(fā)生屈服。
-  連接應(yīng)該準(zhǔn)確表示BRBF實(shí)際情況，考慮梁柱連接板的相對較大剛度。當(dāng)單一樓層位移集中時，柱和連接的梁提供的框架作用效應(yīng)很重要，應(yīng)該在模型中體現(xiàn)。梁柱連接板較大剛度意味非線性柱節(jié)點(diǎn)區(qū)不太可能產(chǎn)生非線性，節(jié)點(diǎn)區(qū)可以模擬為剛性偏移。
-  盡管不僅僅對BRBFs，模型中必須考慮重力體系全局穩(wěn)定。這些效應(yīng)可以通過包含重力柱，傳遞BRBF模型貢獻(xiàn)的地震質(zhì)量。分析中發(fā)生水平位移時，P-Delta效應(yīng)將放大BRBF需求。

建模時，設(shè)計工程師考慮NRHA方法應(yīng)該參考相應(yīng)的文獻(xiàn)指導(dǎo)，包括NEHRP抗震設(shè)計指導(dǎo)NEHRP Seismic Design Technical Brief Nonlinear Structural Analysis for Seismic Design (NIST 2010b)。此外場地相關(guān)地震動和外部設(shè)計審閱對使用NRHA方法是很關(guān)鍵的步驟。 

說明：非線性靜力分析

除了ASCE 7 中定義的三種分析方法外，非線性靜力分析在BRBF設(shè)計中也是有用的工具。非線性靜力分析在ASCE/SEI 41(ASCE 2014)中廣泛討論，盡管ASCE/SEI 41 目的是用于指導(dǎo)抗震改造項(xiàng)目，一般也用于作為非線性靜力分析評估新建筑設(shè)計的指導(dǎo)。非線性靜力分析方法應(yīng)該遵循非線性時程分析NRHA方法同樣的原則。非線性靜力分析方法比NRHA方法簡單，因?yàn)槭褂脝握{(diào)靜力加載，不需要考慮動力方程的地震動和時間積分。但是，考慮一些橫向荷載方式，非線性靜力方法能提供BRBF體系非線性反應(yīng)的有效參考指標(biāo)。例如，非線性靜力方法可以指定非線性需求的沿框架高度分布、揭示可能的樓層機(jī)構(gòu)形成，提供框架承載力設(shè)計的需求，也可以和其他抗震體系進(jìn)行非線性反應(yīng)比較。

說明：BRBFs在加固中應(yīng)用

盡管重點(diǎn)討論新建筑設(shè)計，BRBFs也可以有效的用于加固應(yīng)用，特別是可以對固有建筑調(diào)整剛度和強(qiáng)度。取決于加固項(xiàng)目所在管轄區(qū)的規(guī)范和規(guī)定，加固中BRBFs可能還需要使用ASCE 7和AISC 341對新建工程的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計。在其他情況，當(dāng)使用非線性分析方法時，可以使用ASCE/SEI 41規(guī)范。ASCE/SEI 41-13 是包含BRBFs建模和容許準(zhǔn)則的第一個版本。在此版本之前，在項(xiàng)目監(jiān)管者協(xié)助下，使用BRB制造商給出的項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)計工程師針對單個項(xiàng)目形成參數(shù)和準(zhǔn)則。即使有ASCE/SEI 41-13給出一般參數(shù)和準(zhǔn)則，設(shè)計工程師應(yīng)和項(xiàng)目監(jiān)管者確定這些參數(shù)和準(zhǔn)則對特定項(xiàng)目是否合適。
 

小結(jié)

美國規(guī)范設(shè)計中主要的分析方法主要用ELF方法、MRSA方法。最主要的方法還是振型反應(yīng)譜法。一般用彈性分析方法時需要考慮剛度迭代，但也不用過分精確，要根據(jù)總體結(jié)構(gòu)的反應(yīng)確定。NRHA方法對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)非常重要。非線性靜力方法作為輔助手段能用來判斷結(jié)果指標(biāo)是否合理。

 

來源：SAUSG非線性仿真，作者：劉春明