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钢结构门厅支撑选型和耗能支撑布置分析

上世纪八十年代以来,国内外兴起了各种减震及控震技术,其基本思想是在工程结构的特定部位装设某种装置(如隔震垫等),或某种机构(如耗能器、耗能支撑、耗能节点、耗能剪力墙等),或某种子结构(如调频质量等),或施加外力(外部能量输入),以调整或改变结构的动力特性使工程结构在地震作用下的动力反应(加速度、速度、位移)得到合理控制,确保结构本身及建筑物中的人、仪器、设备、装饰等的安全和正常使用。 
  1耗能减震技术的优点 
  与传统的抗震技术相比,耗能减震技术具有很多有点,从安全性、经济性、技术合理性等方面考虑如下: 
  (1)安全性:与传统的抗震技术相比,耗能减震结构体系专门设置了非承重的耗能构件或耗能装置,在地震作用下率先消耗地震能量,并迅速衰减结构的地震反应,具有极大的耗能能力。此外,由于耗能构件仅在结构发生变形的过程中起到耗能作用,并不承担结构的承载作用,因此对结构的安全性和承载能力不构成任何的威胁或影响,是一种安全可靠的结构减震体系。 
  (2)经济性:耗能减震结构体系是通过“柔性耗能”的途径来消耗输入结构中的地震能量,以达到减少结构的地震反应的目的。根据国内外一些工程应用资料总结,与采用传统抗震结构体系相比,采用耗能减震结构体系可节约结构造价5%~10%;对比传统抗震加固方法,若将耗能减震用于旧有建筑结构的耐震性能改造加固中,可节省造价10%~60%。 
  2支承方案的对比分析 
  基于减小结构温度作用效应和减小结构地震反应的考虑,采用粘滞阻尼支撑代替(或部分代替)纯钢支撑。由于粘滞阻尼器是速度型的耗能减震装置,在温度荷载作用下,不对结构产生等效抗侧刚度,但在地震荷载作用下,能提高附加阻尼力,产生耗能减震的作用,减小结构的地震反应。常州凤凰谷大剧院钢结构门厅从支撑布置位置对结构地震反应、扭转效应及温度荷载影响等方面,对全钢支撑、全部阻尼支撑和混合支撑三种方案与纯框架结构进行计算分析,以确定支撑布置方案。 
  2.1周期比 
  由于结构平面的不规则,导致纯框架结构的周期比T3/T1及T3/T2均大于0.9。全部阻尼器支撑由于不提高结构的静力刚度,因此其静力周期比与纯框架结构相同,而全钢支撑及混合支撑由于钢支撑的存在,能提高抗侧刚度且提高抗扭刚度,减小了结构的周期比,T3/T1及T3/T2均较小,其中以全钢支撑最佳。即钢支撑能减小结构的周期比,而阻尼器支撑不影响结构的周期比。 
  2.2基地剪力 
  从基底剪力看,钢支撑的设置会增大结构的基底剪力,而粘滞阻尼器会减小结构的基底剪力,因此全部粘滞阻尼器支撑结构的基底剪力最小,而全钢支撑的基底剪力最大。混合支撑中钢支撑的存在会增大结构的基底剪力,而粘滞阻尼器能通过耗能作用减小结构的基底剪力,对于混合支撑的基底剪力与纯框架较为接近,即钢支撑的增大作用与粘滞阻尼器的减小作用接近抵消。 
  2.3层间位移角 
  不论是全部钢支撑、全部阻尼器支撑还是混合支撑,通过支撑体系的设置,相比纯框架结构,均能显著减小层间位移角。钢支撑通过提高抗侧刚度减小位移反应,粘滞阻尼器通过耗能耗散输入结构的地震能量从而减小位移反应。对于本工程粘滞阻尼器减小位移反应的效果要大于钢支撑,因此四种结构的层间位移角相互关系为:纯框架大于全部钢支撑,大于混合支撑,大于全部阻尼器支撑。 
  2.4扭转位移 
  从扭转位移比看,由于本工程的平面不规则,导致了纯框架结构下Y向的扭转位移比较大,尤其是1层,扭转位移比>1.2。对于本工程钢支撑对扭转位移比的控制比粘滞阻尼器效果理想,全钢支撑结构的转位移比均较小,均能控制在1.2以下。全部阻尼器支撑的1层扭转位移比均大于纯框架结构,并且随着地震作用的加大,扭转位移比更大。 
  2.5等效附加阻尼 
  从等效附加阻尼比看,耗能支撑的设置在地震下会耗散输入的地震能量,因此粘滞阻尼器的数目越多,耗能能力越大,此时等效附加阻尼比越大。 
  2.6温度 
  钢支撑的设置会显著增大温度荷载作用下支撑及柱的受力,并且随着支撑设置的增多而增大。对于全钢支撑模型,支撑及柱底的最大轴力较大,尤其是Y向。采用混合支撑后,此时相比全钢支撑结构,X向的支撑最大轴力、柱底最大轴力和梁最大轴力变化不大,均有所减小。对于Y向,相比全钢支撑结构,混合支撑设置能显著降低支撑的最大轴力(52%)、柱底最大轴力(59%)和梁最大轴力(51%)。由此可见混合支撑相比全钢支撑能显著减小温度作用的影响,尤其是Y向。 
  3支承方案的确定 
  通过对比分析发现,钢支撑能有效提高抗侧刚度减小位移反应,并且能有效控制结构的扭转效应,控制扭转位移比在1.2以内,但同时存在增大结构基底剪力,及增大温度内力的缺点。粘滞阻尼器支撑能较钢支撑更有效地减小结构位移反应,且能减小结构的基底剪力,并且由于静力下粘滞阻尼器不提高结构刚度,此时粘滞阻尼器支撑不会增大温度荷载影响,但粘滞阻尼器支撑的设置在扭转控制上较不理想,其1层扭转位移比会大于纯框架结构,超过1.2,同时扭转位移比会并且随着地震作用的加大,扭转位移比更大。 

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