王牌 土木工程的发展 1687 - 8094 1687 - 8086 Hindawi 10.1155 / 2020/2642431 2642431 研究文章 的框架结构地震反应分析和控制软第一层由于地面运动 https://orcid.org/0000 - 0002 - 0115 - 4592 刘 Chunyang 1 2 https://orcid.org/0000 - 0002 - 8498 - 008 x 太阳 彭 1 史 Ruofan 1 Gonzalez-Fonteboa Belen 1 土木工程学系 山东建筑大学 济南250101 中国 sdjzu.edu.cn 2 建筑结构改造和地下空间工程重点实验室(山东大学) 教育部 北京 中国 meb.gov.tr 2020年 30. 3 2020年 2020年 28 09年 2019年 18 01 2020年 21 01 2020年 30. 3 2020年 2020年 版权©2020 Chunyang刘et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

本文提出了两种安排当地加强soft-first-storey buckling-restrained撑阻尼器的结构。由于两种类型的地面运动,没有脉冲,被选为soft-first-storey结构的地震响应特性的研究,没有buckling-restrained撑阻尼器,和不同的影响支撑安排改善soft-first-storey结构的抗震性能是公认的。结果表明,与pulse-free地面运动相比,由于脉冲地面运动导致了更严重的soft-first-storey框架结构的地震反应,导致更严重的和快速破坏的主要结构。Buckling-restrained支撑阻尼器有一个明显的能量耗散效应,发挥更好的作用,保护主体结构,并具有良好的实用性。与buckling-restrained撑的结构阻尼器只在最低的层,排列bottom-four-layer-support结构抗震性能方面的优点。

 山东省自然科学基金 ZR2015EQ017 ZR2018MEE044 1。介绍

地震灾害的调查数据显示,城市附近断层在极端地震带是严重损坏当地震发生,导致大量的人员伤亡和严重的财产损失。由于地面运动的特点和相应的工程结构的地震反应因此收到了广泛的关注和研究在工程界学者的兴趣。随着数字技术的快速发展为研究强地震,由于大量的宝贵的地面运动记录取得了世界上一些著名的地震,如1989年在加州洛马普列塔地震,1994年北岭地震也在加州,1995年神户地震在日本,1999年科喀艾里地震在土耳其,2008年中国汶川大地震,2018年在台湾花莲地震。这些数据推动由于地面运动的特点,研究发现不同的中期和远场地面运动。

由于地面运动的影响因素,如现场条件、震源机制、和断层破裂过程,反映了长周期速度脉冲效应引起的方向性效应和fling-step效果,丰富的低频成分,和大型地面运动振幅( 1, 2]。由于地面运动的速度脉冲效应通常发生在早期阶段的速度随时间的变化,短时间内;速度峰值高,涉及到一个更高的能量,主要集中在长周期段,长周期结构造成严重的破坏。由于长期自然soft-first-storey框架结构的振动周期,由于它将显著影响过程的地面运动。地震损失的2018在台湾花莲地震和2008年中国汶川地震揭示以下( 3, 4]:

的底层框架结构被严重破坏,而楼上只有轻微的损失。

有许多“轻盈的建筑,”的底层建筑已经完全崩溃,和楼上了直接在地面楼层倒塌。

列的混凝土结构在底部分离,和钢筋屈服。

column-end铰链被严重损坏,产生较大的残余变形,而梁端铰链仅轻微受损,反映了失效机理的“强光束弱列。”

近年来,城市化快速发展的过程中,在陆地上和结构变得越来越紧张。越来越多的框架结构的底层车库或商业机构,而上面的部分是用作办公大楼或住宅空间。这种结构的主要特征是底部空间大,层高度高,和底层的刚度远远低于上邻近层,导致soft-first-storey结构( 5, 6]。由于具有独特的结构使用功能和巨大的发展潜力,一个明智的发展道路将会找到一个地震系统,可以极大地提高建筑物的抗震能力而产生低影响其独特的使用功能。目前,世界各地的研究人员进行了一系列研究如何提高soft-first-storey结构的抗震性能。这些改进包括以下主要方面:

提高结构的延性。添加支持的问题和合理配置支持soft-first-storey结构一直在调查研究[ 7),结果表明,合理安排支持允许底层薄弱层位移和顶点位移得到有效控制。使用不同数量的水泥石灰粘结剂也被取代硅灰和珍珠岩粉,硅fume-perlite粉的影响自密实混凝土的抗压强度和微观结构研究。基于28天的分析和90天的混凝土的抗压强度,取得了不同添加剂的最佳数量( 8]。同时,支持的数量被确定后,3 - layer和9-layer结构的支撑架结构分析了使用推覆方法,并研究了结构体系结合实验( 9]。实验结果显示,支撑架系统可以减少整体位移,提高结构的承载能力。

应用减震技术。soft-first-storey结构的抗震性能与纤维混凝土阻尼器通过振动台试验研究[ 10]。实验结果表明,纤维混凝土阻尼器可以充分控制层之间的变形和之前可以成为非弹性的主要成员,从而保护整个结构。同时,使用一个通用的损伤指数法(GDI)基于能量,带有附加粘滞阻尼器的优化设计方法已经提出了不规则剪切框架,但它的计算设计方法是复杂的 11]。钢筋混泥土(RC) damper-restricted支撑系统也被用于加强建筑物的底部大空间结构,和振动台试验表明,该系统有优越的抗震性能 12]。阻尼器产生部分消耗地震能量,可以提高框架结构的延性,而将大大提高了承载力的极限结构的后期。在这研究中,微观结构的最优比例,聚丙烯,和混合纤维已经决定通过抗拉和抗压测试,和使用最佳的效果量的纤维混凝土鞘的buckling-restrained括号(马上回来)进行了调查 13]。研究显示加载周期的最大数量,延性系数,能量吸收,标本的最大作用力由聚丙烯和正弦金属纤维的成分。另一方面,抗震性能的分析钢筋混凝土(SRC)传输结构的补充能量耗散腰撑已经完成利用ETABS工程软件( 14]。研究结果表明,粘滞能量耗散腰撑有更好的阻尼对结构的影响。使用阻尼撑的设计方法控制结构薄弱层也被研究[ 15]。研究结果显示,这种简化的设计方法可以精确控制位移之间的弱层目标。

应用地震隔离技术。当soft-first-storey框架结构,从汶川地震严重破坏是钢筋的设置隔离轴承顶部的列在一楼,软弱层转化为一个隔离层,从而恢复其功能( 16]。基本隔离理论也被应用于一级列上隔离,和非线性动态分析已经完成一个项目( 17]。研究表明,可以提高结构的抗震性能通过设置隔离轴承顶部的列上。与此同时,基于一个实际的五层框架结构为例,结构的地震反应和无隔离轴承进行了分析( 18]。研究结果表明,隔离技术在顶部的列可以改善soft-first-storey框架结构的抗震性能,从而增加第一层的变形能力。通过上述研究,使用隔离技术已经结束soft-first-storey结构能够有效地减少地震能量输入,显著改善原始结构的抗震性能,并改善在第一层的弱点。

目前,大多数研究soft-first-storey框架结构表现他们的分析常规地面运动作用下。另一方面,soft-first-storey框架结构地震反应分析由于在地面运动不足,和技术如何提高soft-first-storey框架结构地震倒塌阻力下由于地面运动需要进一步研究。

在这项研究中,从一个钢筋混泥土框架结构的有限元模型与软第一层使用SAP2000建立民用软件。两种安排马上回来的阻尼器提出了加强本地soft-first-storey结构。由于两种类型的地面运动,没有脉冲,被选为研究soft-first-storey结构的地震反应特征并没有马上回来阻尼器,和不同的影响支撑安排改善结构的抗震性能与软第一层是公认的。

 2。项目概述和模型建立 2.1。项目概述

从钢筋混泥土框架结构在这项研究中有1层高度为4.3米,二到十层楼的高度为3.3米,总高34米,和一个平面的大小42米×15.9米。抗震设防烈度是7度,地震水平是二级,设计地震加速度是0.15克。网站类别II级,设计地震组是第二组。梁的截面的一楼有一个面积300 mm×600 mm,这列有一个面积650 mm×650 mm;梁部分地板2到10的350毫米×700毫米的地区,和列部分地区的700毫米×700毫米。混凝土强度等级的梁、板、C30和列。的主要加固梁、柱HRB400, HRB335马镫。地板恒定负载被假定为6.0 kN / m2,活载假定为2.0 kN / m2;屋顶恒定负载被假定为7.0 kN / m2,活载0.5 kN / m2;内部和外部的墙负载均匀假定为8.0 kN / m。结构布局如图 1。

结构布局。

 2.2。模型建立

建立了结构的有限元分析模型使用SAP2000民用软件。梁和列被框架单元模拟,和层被膜单元模拟。塑料铰链是在相对位置,对梁和列元素,分别为0.1和0.9。提供的列是耦合的轴向力和双轴时刻——(PMM)相关的铰链,和梁提供了M3型塑料铰链。马上回来阻尼器是使用塑料的单位和Bouc-Wen力学模型模拟。

在地震期间,soft-first-storey框架结构层间位移变形容易大。因此,两个不同的本地支持安排建立了加强soft-first-storey框架结构。基于的原则”刚度补偿,“马上回来阻尼器设计参数表中列出 1。两个不同的马上回来阻尼安排数据所示 2和 3。图 2显示了bottom-support结构模型。的 Y方向马上回来阻尼器被定位到的双面跨度1日,4日,5日和8日轴的第一层,而 X方向马上回来阻尼器设置到双面跨越A和D轴的第一层。图 3另一方面,显示了bottom-four-layer-support结构模型。的 Y方向马上回来阻尼器被定位到的双面跨度1日,4日,5日和8日轴的第一层和1日和8日轴的第二到第四层,而 X方向马上回来阻尼器设置到双面跨越第一个A和D轴的第四层。

Buckling-restrained支撑(BRB)阻尼器参数。

地板上 支持数字 核心横截面积(毫米2) Yield-bearing能力(kN) 轴向刚度(N /毫米)
1 BRB1-1 3292年 967年 131841年
BRB1-2 2894年 850年 115929年
2 BRB2-1 1703年 500年 68193年
BRB2-2 1419年 417年 56827年
3 BRB3-1 1135年 333年 53446年
4 BRB4-1 1135年 333年 53446年

马上回来布局添加到最深层。

马上回来布局添加到四层底部。

 3所示。结构动态特性

模态分析是进行上述的三种有限元模型,也就是说,不支持结构,bottom-support结构,和bottom-four-layer-support结构,第一个3模式比较的提取。第一个3模式的支持结构 T 1 = 1.204, T 2 = 1.177 s T 3 = 1.115秒;第一个3 bottom-support结构的模式 T 1 = 1.104, T 2 = 1.082 s T 3 = 0.989秒;和第一个3 bottom-four-layer-support结构的模式 T 1 = 1.058, T 2 = 1.032 s T 3 = 0.896 s。第一个3模式三种结构模型的振动方向相同。第一个模式是横向振实 Y水平方向,第二个模式是十分响亮 X方向,第三个模式是扭曲的 Z设在。

分析数据显示,同期比(第一个自然振动周期的比例由扭转第一自然振动周期由翻译)不支持的结构为0.926,超过0.9中指定的限制建筑抗震设计规范》( 19),扭转效应是显而易见的。支持添加到最低的后层,结构时期,比0.895,低于0.9的限制,因此满足指定的需求,和扭转效应降低。另一方面,bottom-four-layer-support结构的周期比为0.846,和扭转效应进一步加强的价格相比bottom-support结构。

 4所示。由于地面运动的选择

研究soft-first-storey框架结构地震反应的影响下由于地面运动,由于4 pulse-free地面运动和8由于脉冲选择地面运动强烈地震数据库的美国太平洋地震工程研究中心( http://ngawest2.berkeley.edu)。地面运动的信息如表所示 2。由于主要选择地面运动的原则如下( 20.- - - - - - 22):(1)站点的距离地表断层表面的投影点小于20公里;(2)V30控制在260 - 510 m / s,对应的二级网站建筑抗震设计规范》( 19];和(3),以反映的强烈地震特征由于地面运动,地面运动记录时刻震级大于5.5,和地面峰值加速度的地面运动应大于0.15克。速度脉冲的特点是歧视基于JW贝克提出的识别方法。当脉冲=指标的关系 1 / 1 + e − 23.3 + 14.6 P G V 比 + 20.5 E 比 大于0.85,原始记录的速度大于30厘米/秒,和速度的记录发生在早期的历史,它是归类为过程的地面运动。

由于地面运动信息。

类型 工匠们 站 级 R 简森-巴顿(公里) PGA (g) T 年代(年代) T p(年代)
由于脉冲地面运动 1510年 TCU075 7.62 0.89 0.33 0.36 4.998
983年 JGB022 6.69 5.43 0.57 0.36 3.535
147年 G02140 6.53 8.47 0.26 0.35 1.463
767年 G03090 6.93 12.23 0.37 0.23 2.639
802年 STG090 6.93 7.58 0.33 0.20 4.571
828年 PET000 7.01 8.18 0.59 0.67 2.996
3746年 CBF360 7.01 16.44 0.48 0.24 1.967
568年 GIC090 5.80 2.14 0.71 0.27 0.805
由于无脉搏地面运动 779年 LGP090 6.93 3.88 0.31 0.40 - - - - - -
989年 CHL070 6.69 9.87 0.22 0.42 - - - - - -
587年 MAT083 6.60 16.09 0.28 0.38 - - - - - -
1012年 LA0180 6.69 9.87 0.26 0.38 - - - - - -

主要的地面运动完成后,选择地面运动加速度的峰值是调整到310厘米/ s2,对应于一个seven-degree罕见的地震。加速度反应谱图所示 4。由于地震影响系数4 pulse-free地面运动分别为0.227,0.235和0.25,分别在第一层序模式周期控制点,这些系数之间的差异和监管的地震影响系数分别为15%,13%,和11%,分别。另一方面,由于8的地震影响系数过程地面运动分别为0.266,0.271和0.290,分别在第一层序模式周期控制点,这些系数之间的差异和监管的地震影响系数均在2%以内。通过这一分析,这些地面运动能满足建筑抗震设计规范》的要求,可用于时间历史分析。

加速度反应谱的比较和规范光谱。(一)近场地面运动过程。(b)近场pulse-free地面运动。

 5。地震响应分析 5.1。层间位移角分析

不支持的结构下的层间位移角反应由于过程由于地面运动和pulse-free地面运动数据所示 5(一)和 5分别(b)。从图可以看出,近场地面运动的作用下,层间位移需求值1 st-5th层的层间相对较大,底部的层间位移需求是最大的。由于脉冲的作用下地面运动以RSN1510,底层支持结构的层间位移角超过了弹塑性层间位移角限制规范中表示。6层以上,结构的层间位移很小,层间位移角主要是在1/550,和梁、柱没有损坏。响应脉冲下结构的最大层间位移断层附近的地面运动,其次是下pulse-free断层附近的地面运动。

不支持结构的层间位移角。(一)近场脉冲地面运动。(b)近场pulse-free地面运动。(c)平均层间位移角。

更直观地反映出两种地面运动的影响在结构层间位移响应的平均价值结构层间位移角进行了计算和比较。平均层间位移角如图 5(c)。根据图,由于位移角下的底层过程地面运动的两倍,在由于pulse-free地面运动;这个结果充分表明,由于过程地面运动将导致更严重的损害soft-first-storey框架结构。

由于下bottom-support结构的层间位移角过程由于地面运动和pulse-free地面运动数据所示 6(一)和 6分别(b)。图 6(c)是一种比较的平均bottom-support结构和支持结构的层间位移角的作用下这两种类型的地面运动。图,1代表了不支持的结构模型,模型2代表bottom-support结构,3代表bottom-four-layer-support结构模型。从图可以看出,支持添加到底层后,层间位移角底部2层之间的两种类型的地面运动作用下显著降低,第三和第六层之间的层间位移角略有增加,和第六层和层之间的层间位移角上面没有超过弹性层之间的位移角;最大层间位移角测量在第三层。由于在地面运动过程,层间位移角之间的1层和2层分别减少了73%和26%,分别;无脉冲的作用下地面运动,同样的角度分别减少了57%和27%,分别。马上回来的比较结果表明,阻尼器可以有效地减少底部薄弱层的层间位移反应;第三层成为弱层,因为底层刚度的提高。

bottom-layer-plus-support结构的层间位移角。(一)近场脉冲地面运动。(b)近场pulse-free地面运动。(c)平均层间位移角。

由于下bottom-four-layer-support结构的层间位移角过程由于地面运动和nonpulsating地面运动数据所示 7(一)和 7 (b),分别。图 7 (c)是一个比较的平均bottom-four-layer-support结构的层间位移角和不支持的两种类型的地面运动下结构。从图可以看出,在支持添加到第一个四层,3层之间的层间位移角底部明显减少,并不十分不同,第四和第六层之间的层间位移角略有增加,和第七层和层之间的层间位移角上面是在一个安全的范围内。由于在地面运动过程,第一到第三层的层间位移角下降了68%,43%,和24%,分别;根据pulse-free断层附近的地面运动,第一到第三层的层间位移角下降了55%,34%,和3%,分别。这个结果充分表明,结构的抗震性能明显改善后的支持添加到1号4层;底层薄弱层被淘汰,但楼上没有变成一个薄弱层。

bottom-four-layers-plus-support结构的层间位移角。(一)近场脉冲地面运动。(b)近场pulse-free地面运动。(c)平均层间位移角,与支持结构。(d)平均层间位移角,与bottom-support结构。

图 7 (d)是一个比较之间的平均层间位移角bottom-four-layer-support结构和bottom-support结构在两种地面运动。相对于结构只支持在底部,底部四层支持时,层间位移角的分布更均匀,没有明显的结构的薄弱部分,除了轻微的增加之间的层间位移角层底部,第二和第五层之间的层间位移角明显降低,与第六至第十层明显改变。的作用下相对于bottom-support结构,由于过程地面运动,第二到第五层的层间位移角bottom-four-layer-support结构降低了22%,29%,31%,和12%,分别。这个结果表明的减震效果添加到四层底部的支持比只支持添加到最深层。

 5.2。最大加速度和位移响应分析的最深层

不支持的结构,bottom-support结构,bottom-four-layer-support结构比较的结果的最大加速度值和最大位移值最低的层的作用下地面运动的两种,如表所示 3。在表中,1代表了不支持的结构模型,模型2代表bottom-support结构,3代表bottom-four-layer-support结构模型。在表 3,bottom-support结构的最大位移值和bottom-four-layer-support结构作用下的两种地面运动,明显显著降低与那些不支持的结构相比,平均降低率能够达到55%以上。的作用下由于过程地面运动,意味着削减利率的最大加速度值bottom-support结构和bottom-four-layer-support结构分别为9%和3%,分别与那些不支持的结构相比,平均降低率分别为14%和10%,分别在由于nonpulsating地面运动。这些结果说明当马上回来阻尼器被添加到soft-first-storey框架结构,结构在地震激励的放大效应降低,最深层的和疲软的特征有显著改善。由于地面运动下的抗震性能也大大提高。

比较的最大加速度和位移最深层的结果。

地面运动类型 底层的最大加速度(m / s2) 底层的最大位移(毫米)
模型1 模型2 模型3 模型1 模型2 模型3
由于脉冲地面运动 802年 2.67 2.47 2.51 33.6 14.6 11.5
983年 2.11 1.84 2.00 41.3 16.5 20.5
147年 3.39 3.03 3.22 53.9 23.5 26.6
3746年 1.75 1.48 1.48 36.5 16.6 22.9
767年 2.84 3.09 3.29 67.3 20.8 24.1
1510年 2.14 2.00 2.26 136年 21.7 25.0
568年 2.33 1.85 2.21 29.5 14.3 17.2
828年 2.01 1.83 1.82 16.4 9.07 10.9
平均值 2.41 2.19 2.34 51.8 17.1 19.8
还原速度 - - - - - - 9% 3% - - - - - - 67% 62%
由于无脉搏地面运动 779年 1.83 1.73 1.77 31.8 10.0 11.9
989年 2.43 2.06 2.08 27.3 11.9 13.1
587年 2.25 1.99 2.21 19.5 11.1 12.0
1012年 2.84 2.26 2.39 31.4 14.3 12.3
平均值 2.33 2.01 2.11 27.5 11.8 12.3
还原速度 - - - - - - 14% 10% - - - - - - 57% 55%
5.3。分析塑料铰链梁、柱的破坏

梁、柱下的损害赔偿由于脉冲地面运动在RSN767插图使用塑料铰链的三个模型的发展。图 8显示了在横向框架塑性铰发展开始,中间和结束的地面运动加载。

发展和塑性铰分布。(一)模型1。2 (b)模型。3 (c)模型。

三个模型进行了比较。不支持的结构、塑料铰链被发现出现在底部的一层在地面运动的初始阶段加载列。然而,bottom-support结构和bottom-four-layer-support结构,没有塑料铰链的底部列。此外,对于bottom-four-layer-support结构,塑料铰链也没有出现在梁、和梁柱塑料铰链的发展很压抑。

不支持的结构,大多数塑料铰链底部的一楼列达到其极限承载力状态地面运动负荷的中间阶段。然而,马上回来后阻尼器被添加到soft-first-storey框架结构,底部的塑料铰链的一楼列只是屈服阶段和立即使用,和一个大的安全储备。不支持的结构,在地面运动负荷,同时塑性铰出现的底部和顶部的列在第一层,其中大部分达到极限承载力的状态,表现出一种层间失效机理。塑料铰链也出现在中间列的第二到第四层。然而,马上回来阻尼器,塑料铰链的失败程度列底部的层没有进一步发展,和塑料铰链没有出现在上面的列一楼。这一结果表明,将马上回来soft-first-storey框架结构的阻尼器可以有效地抑制在梁、柱塑性铰的发展和减少伤害的主要结构。

 5.4。能量分布

由于地面运动的作用在RSN767作为一个例子,bottom-support结构的能量分布和bottom-four-layer-support结构说明。能量分布的图在图所示 9。不支持结构的滞回能量消耗约占总数的50%地震输入结构的能量。另一方面,bottom-support结构和bottom-four-layer-support结构的滞回能量占39%和43%,分别占总数的地震输入结构的能量,和主要结构的滞后能源消耗降低。支持滞后bottom-support结构和bottom-four-layer-support结构的能量约占54%和53%,分别占总数的地震输入结构的能量。马上回来阻尼器的耗能效果是显而易见的,展示的能力能够更好地保护主体结构。

下的能量分布的结构示意图RSN767地面运动。(一)模型1。2 (b)模型。3 (c)模型。

 6。结论

基于分析执行在这个研究,本研究的结论如下:

的作用下由于过程地面运动,soft-first-storey框架结构的地震反应明显大于nonpulsed地面运动下,和梁、柱塑性铰破坏更严重和更迅速地发展。由于位移角下的最深层过程地面运动是nonpulsed地面运动下的两倍。

后buckling-restrained支撑(BRB)阻尼器被添加到soft-first-storey框架结构,位移角、最大加速度,和最大位移的最深层的两种类型的地面运动作用下显著降低,有效地降低结构的地震反应,大大提高抗震性能,减少损伤的主要结构在地震的情况下。

相比之下,马上回来的结构阻尼器只在最低的层排列,bottom-four-layer-support结构抗震性能方面的优点。马上回来阻尼器有一个明显的能源消费效应,可以更好地保护主体结构,具有良好的实用性。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。分析数据主要包括层间位移角、最大加速度、位移、塑性铰的发展,和能量分布。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

作者感谢重点实验室的建筑结构改造和地下空间工程(山东建筑大学)和教育部为适应设备和设施的使用。这项工作得到了山东省自然科学基金(赠款nos ZR2015EQ017和ZR2018MEE044)。

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