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【钢结构·技术】如何采用SAUSAGE进行防屈曲支撑减震设计

本文转载自公众号SAUSAGE非线性

作者:邱海

基础知识

1、防屈曲支撑

防屈曲支撑又叫屈曲约束支撑(BRB:BucklingRestrainedBrace)。防屈曲支撑一方面避免了普通支撑服役时可能出现的受压屈曲,另一方面又可以提供金属屈服耗能能力,因而广泛应用在抗震结构和减震结构中。

图1 防屈曲支撑产品

图2 防屈曲支撑与普通支撑性能对比

2、基本原理

防屈曲支撑由芯材、无粘结填充材料和约束外套筒组成。防屈曲支撑仅芯板与其他构件相连接,所受的全部荷载由芯板承担,约束外套筒和无粘结填充材料仅起约束作用,约束芯板受压屈曲,使芯板在受拉和受压下均能进入屈服,因而形成优良的滞回性能。

图3 防屈曲支撑基本原理图

3、功能分类

根据防屈曲支撑的“防屈曲”和“耗能”特点可见,在结构设计中偏重其不同结构特点进行设计,防屈曲支撑可以变换不同的角色。按照其使用的功能分类,防屈曲支撑可以分为:阻尼型支撑、耗能型支撑和承载型支撑。

1)阻尼型防屈曲支撑:通过调整芯板屈服力,使其可以在小震下就开始进入屈服耗能,从而提高结构的附加阻尼比以达到减震的目的。

2)耗能型防屈曲支撑:这可能是大家减震设计中应用比较广泛的一种方式。小震下防屈曲支撑不去屈服,只提供承载作用,在中震及大震中防屈曲支撑开始屈服耗能,保护主体结构,起到结构中“保险丝”的作用。

3)承载型防屈曲支撑:在小、中、大震中均不发生屈服,给结构提供稳定的刚度和承载力,主要用于抗震结构设计中。

附加阻尼比准确计算

对于计算防屈曲支撑的附加阻尼比,PKPM最近的版本提供了规范的迭代简化计算方法,SAUSAGESAUSAGE-Design提供了时程计算的精确算法,现举个简单例子说明两种方法:

某设防烈度八度(0.2g)、II类场地的四层混凝土框架结构,结构模型如下图所示。采用防屈曲支撑,在结构的1-3层的X向、Y向分别设置4个支撑,具体位置如下图(红色为防屈曲支撑)。

图4 结构模型

采用PKPM建模,防屈曲支撑的有效刚度和有效阻尼比填0,填写完整的双线性模型参数描述屈曲约束支撑。运行SATWE自动迭代计算附加阻尼比。迭代收敛时的结果汇总如下表:

表1 SATWE计算中震作用下的附加阻尼比

方向

迭代

次数

初始阻尼比(%

结构应变能(KN*M

阻尼器耗能(KN*M

等效附加阻尼比(%

X

4

5%

293.0843

64.42351

1.75

Y

4

5%

287.8143

107.3213

2.97

采用SAUSAGE-Design软件,直接读取SATWE模型,选用天然地震动TH021TG045进行计算,计算结果如下:

表2 中震时程的附加阻尼比计算结果

方向

工况

初始阻尼比(%

初始阻尼累计耗能(KN*M

阻尼器

累计耗能

KN*M

等效附加阻尼比(%

X

TH021TG045-X

5%

2946.31

1001.71

1.70%

Y

TH021TG045-Y

5%

5233.35

2608.48

2.49%

两种计算方法还是存在一定的差别的,主要原因是规范算法与SAUSAGE采用能量算法的差异造成的。能量算法中每个消能器的能量是精确累计的,与规范算法中假设所有消能器充分耗能是不同的(详细分析可以查看往期文章SAUSAGE软件减震结构附加阻尼比的应用)。

阻尼器滞回耗能

SAUAGE软件提供了方便的阻尼器滞回曲线功能。在数据结果滞回曲线功能中,可以方便查看所有一般连接的滞回情况。

图6 SAUSAGE滞回曲线功能

考察上面算例在大震下的滞回曲线如下:

图7BRB1滞回曲线

图8BRB2滞回曲线

图9BRB3滞回曲线

其中BRB1BRB2BRB31-3层对应位置的防屈曲支撑。可见BRB1BRB2呈现标准双折线模型,滞回饱满,起到耗能型防屈曲支撑的作用。BRB3未发生屈服,起到了提供刚度和承载力的承载力型防屈曲支撑的作用。这也从侧面说明为什么能量法计算附加阻尼比会小于规范方法。

支承结构保持弹性设计

《抗规》12.3.7和《减震规范》6.4.5的要求,与消能器连接的部件应该在在弹性范围下工作,以确保消能器持续耗能。因而,在采用SAUSAGE进行罕遇地震弹塑性时程分析前,应设定连接部件为弹性设计属性,选中子结构,将其本构修改成弹性,并定义输出分组。

图10 定义子结构计算属性

计算完成后,可在图形结果分组结果中即可查看和提取对应构件的时程内力。也可在数据结果数据文件中查看提取。

图11 连接构件时程内力

主体响应与损伤判断

查看大震作用下每条地震动的层间位移角是否都满足规范要求。

图12 X向层间位移角 图13Y向层间位移角

查看整体结构的损伤情况及性能化评估结果,以确保结构每个部位都满足预定设计要求,结构是否存在薄弱环节需要加强。

图14 框架损伤图

图15 框架性能水平

结语

防屈曲支撑因其灵活的可变的结构特点,广泛应用于减震和抗震设计中。采用SAUSAGE配合SATWE进行防屈曲支撑的减震设计,可以非常方便的得到丰富的后处理结果,是减震设计一条相当便捷的途径。

转自:钢结构-公众号

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