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使用桁架梁框架系统增强抗震能力辅助设备
关键字
特殊桁架弯矩框架、桁架大梁框架、避免损坏、辅助设备、弹性
摘要
提出了特殊桁架梁框架（TGF）的创新配置，以促进辅助设备的使用，例如屈曲约束支撑（BRB）和重新定心设备。 采用了基于能量的设计方法，从而使设备设计为相对于结构上的地震输入能量需求提供足够的能量消散能力。通过 一系列非线性响应历史分析（nRHA），证明了基于能量的方法是准确的。所提出系统的整体地震响应是根据层位移， 层间漂移，层剪切，倾覆力矩以及相对于耗能的效率进行评估的。所提出的配置和设计方法可以通过有效利用设备 来实现可预测的地震响应。此外，大大减轻了对结构元件的损坏；因此，可以避免 TGF 系统的损坏设计，并且可以通过使用重新定心设备来减轻残余位移。
1.简介
随着社会开始认识到生命安全的重要性，地震设计学这处于变革的边缘。现在，人们期望将弹性设计作为设计方法的一个组成部分，以此来保证建筑能够快速修复以及将对社会经济框架的影响减到最小。在这种情况下，抗震系统的能力是通过地震期间的稳健性和后续恢复的快速性来衡量的。人们展望能够通过增强结构系统的弹性来降低结构的脆性，同时减少重大灾难性事件后的恢复时间。因此，通过开发和实施基于性能的设计方法以及改进的结构细节,人们可以设想几种替代方法来增强结构系统的抗震能力。
通过分析研究最新的建筑规范，AISC抗震规定和包括了抗侧力系统的设计规范IBC，特殊的桁架框架系统可以帮助我们实现这个想法。STMF系统允许在特殊情况下对可控的损坏进行细化，以取代传统的实心腹板梁。建筑规范官员对该系统的认可，以及随后的1994年北岭地震，使得STMF系统迅速得到许多结构工程师的关注，成为特殊弯矩框架系统的替代方案。在旧金山 洛杉矶和西雅图等地震区,提出了将STMF系统作为主要的侧向力抵抗框架体系的建议。作为一个动态加载系统，STMF建筑的广泛接受和随后的设计使我们有必要更好地去了解它们。进行了各种实验和分析研究,以调查可供选择的细节,并介绍可靠和有效的设计方法。最值得注意的是Chao和Goel提出了一种基于性能的塑料设计方法，并证明了其适用性。最近提出了利用单独的能量耗散元件的特殊部分的其他创新细节。
虽然传统的设计规范要求结构能经受中重度地震,但基于性能的设计程序明确规定了许多具体的性能目标。该结构应具有一定的置信度，满足预定的性能水平，进而需要确定定性的性能极限。基于性能的设计方法学的重要组成部分是对损坏的准确（实际）评估。为了使基于性能的设计方法能够可靠地工作，对可控和可预测的损坏进行仔细的结构系统详细设计变得尤为重要。但是，在一种极端情况下，可以完全避免结构损坏。这可以通过所谓的避免损坏设计（DAD）方法以具有成本效益的方式实现，该方法已被证明可以增强各种类型结构系统的抗震能力，因为没有损坏不会导致[更多]快速的占用/恢复。DAD的早期概念是由Housner提出的，后来在建筑框架和桥梁结构中以各种细节和机制的形式实现。DAD方法可以在不破坏原结构的情况下达到预期的抗震性能。Mander和Cheng演示了该方法在桥梁结构中的实现，该方法使用了延性设计和抗震隔离的特性。且已通过分析和实验研究了 DAD 方法在建筑框架系统中的各种应用。传统的STMF是通过在特殊的节段上形成塑性铰来耗散地震能量的。但是，本研究介绍了将对角安装在 STMF 特殊段中的辅助设备合并的详细信息。为了确保所需的设备变形并同时完全消除损坏，将顶部和底部弦杆构件的末端固定在特殊段中，因此，设备的这种细节和使用使其适用于所谓的避免损坏设计（DAD）。此外，通过引入可靠的和改进的能量耗散能力，可以显着降低地震需求，这导致承载结构元件中的力减小。另外，与其他减震装置或传统的特殊矩型框架（SMF）相比，使用特殊段中的设备保留了为公用设施管线留出门户空间的优势，以及高强度/宽度比的优点。 ）设计。
这种新的结构体系被称为桁架梁框架(TGF)，主要是通过屈曲约束支撑(BRB)来演示的，它通过钢芯板的连续拉伸和压缩屈服来耗散地震能量。尽管这可能被认为是一种损害，但它仅限于在重大地震事件后可以更换的设备。另一方面，经历连续的和大量的非弹性响应周期的结构系统容易产生不希望的残余(永久)变形。永久变形是不可取的，特别是考虑到地震回弹性的要求之一。为了解决这个问题，使用重新定心装置放置在Vierendeel特殊段也进行了调查。（fig.1）重新定心设备旨在通过减少或完全消除重大事件后的永久变形，将结构恢复到其原始状态。这些替代方案导致可以根据基于性能和避免损伤设计的原理设计 TGF，因此直接有助于提高抗震能力。
- 避免损坏的特殊部分细节
Fig. 1a展示了带有设备的特殊的端接式 Vierendeel 段的拟议细节。因此，顶部和底部弦杆构件通过销钉连接到相邻的桁架构件，这允许弦杆构件相对于任一侧的桁架在特定段内自由旋转。显然，与横向连接的Vierendeel 段中的变形相比，此机制会导致沿特殊段的对角线产生更大的变形，从而导致设备变形，这是由于横向框架位移引起的。
在器械刚度可忽略不计的情况下（尤其是在器械屈服之后），器械变形可与横向楼层位移 Delta;s 相关联为（fig.1b）：
其中 Delta;b=支撑变形，hg =梁高，Lb =舱口宽度，Ls =特殊段长度， L =特殊段中对角线的长度，Delta;s=层间位移，theta;s=Delta;s/ hs =层间位 移百分比，其中 hs =故事高度。注意，实际
设备变形实际上是各种其他参数的函数，例如边界条件，柱的抗弯刚度， 设备和桁架的刚度，舱室和特殊节段的相对尺寸。然而，事实证明，撑 杆变形最多可以达到侧向故事位移的 75％，并且可以通过等式 1 准确预测。(1).
正如前面提到的，屈曲约束大括号（BRB）用于演示带有固定特殊节 段的拟议 TGF 的可行性。BRB 会经历明显的非弹性变形，并具有较大的延展性。此外，BRB 在拉伸和压缩时均具有稳定而可靠的磁滞能量耗散能力，而不会弯曲。在建议的配置中，由于能量消耗能力仅由 BRB 提供， 因此屈服集中在支架上；完全消除了主要承重结构元件对非弹性变形的 需求。该系统的优点在于，在发生大地震后，可以轻松更换 BRB。由于BRB 的能量消散能力稳定且可预测，因此采用了基于能量的设计方法[24].此外，案例研究还证明了将重心定位设备与 BRB 一起使用。特别推 荐使用重新定心设备，以控制和消除可能由于 BRB 的产量而引起的残余层间漂移。还建议将特殊节段设置在中跨上，以实现桁架梁中变形和力 的更均匀和公平的分布。
3.基于能量的设计过程
Leelataviwat等人最初提出的基于能量的设计方法。[12] 在选定目标设计位移的 TGF 系统设计中采用。Linke等人对该设计过程进行了推导和详细说明。因此，本文仅对设计步骤进行了概述。另外，因为设计过程是迭代的，并采用基于能量的方法，便于确定设备性能，从而建立整个TGF系统的横向能力。
第一步 目标最大、theta;u和相应的收益率theta;y漂移。被选中。theta;y和马上回来属性之间的关系可以建立为
其中 sigma;by=屈服应力，L =长度，Eb = BRB 的杨氏模量，hs =层高。
第二步 确定了基于代码的结构系统第一模态振动周期，并在后续迭代中根据模态分析进行细化。
第三步 总体目标和产量漂移(Eq。(2))用于计算的整体预期系统延性,mu;s。随后,一个能量修正因子,计算gamma;延性换算系数的函数,Rmu;
第四步 归一化设计伪加速系数。Ce是根据所采用的设计规范确定的。在此基础上，计算了装置的归一化设计基础剪力和侧向力的垂直分布:
其中beta;i=第i层的分布因子,Vi和Vn =分别与第i层和屋顶水平的设备关联的楼层剪切力,wi =第i层的楼层地震权重,hi =第i个楼层距地面的高度 Fi和Fn =分别与在i和屋顶水平施加的设备相关的横向力,V =设计基础剪力 基于对STMF的一系列非线性响应历史分析(nRHA),建议对指数系数进行保守估计,phi;= 0.50
第五步 BRB强度的垂直分布与Eqs建立的分布模式相同。从(4)到(8)。屋顶层的BRB设计强度，Fyn是通过将与单调加载相关的总塑性能量(图2a)与所做的外部功相等来确定的：
eta;=屈服刚度比,和mu;=设计延性马上回来认为是沿着TGF的高度相同。一旦根据式(9)确定顶板处的BRB强度，则较低层的BRB强度可确定为:
式(10)给出的BRB强度是第i级所需的总设计强度。在任何给定的楼层水平，Fyi j的强度是由Fyi除以BRB元素的数量决定的，BRB元素的数量通常等于bays的数量，nb。在这个阶段，可以考虑重新定心装置。重新进入(或自定心)装置被设计为提供能量耗散、刚度和自定心能力。例如压力流体或可压缩弹性阻尼器和预加载弹簧摩擦阻尼器。这些装置在去除施加的载荷后保留很少的残余变形，因此提供了固有的重入能力(图2b)。根据设备的类型和性质，重新定心通常与所谓的预加载有关。为了确保理想的重新定心水平，每个设备的预载可以根据给定层位的设计层剪切确定：
nkappa;是一个因素,可能在1.0和2.0之间[26],胚根端胚乳=数量的重新居中和设备在故事层面考虑。
第六步 柱的设计基于设计强度的能力设计方法，以抵抗位于每个海湾的单个设备的因素重力载荷和最大预期力的组合[15,17,24]。
第七步 特殊段外桁架构件的设计也采用了承载力设计方法。特殊节段外的T元素是为最大的预期装置力和最不利的侧向载荷所产生的力效应而设计的[17,24]
第八步 在下一迭代中返回到步骤2。当计算的振动周期收敛到前一周期时，迭代可以终止
最后 特殊节段内的顶杆和底杆杆件可设计承受最大预期装置力所产生的轴向力和剪切力[17,24]。
4.结构研究案例
通过3层 6层和9层的案例分析结构,论证了该方案的可行性 性能和细节 三层和六层的结构是带有周边TGFs的建筑物,每个海湾都包含补充设备(BRBs或BRBs和重新定心设备的组合) 结构尺寸为41.15 m 41.15 m,规划有5个港湾;五个海湾的每一个都长8.230米 第一层高度为4.420米,上面的楼层高度为4.318米,所有楼层的桁架高度为1.219米。位于每个海湾中间的特殊路段的长度为2.438 m。 特殊段之外的顶部和底部和弦成员的长度均匀为1.448 m。 3层和6层结构的典型立面图如图3a和b所示。 所有桁架构件均设计为双角。 横向载荷受到周边TGF的抵抗。 第一层的地震质量为666 kN-sec2 / m，第二层（在6层结构的情况下，通过第五层）为665 kN-sec2 / m，而屋顶层的地震质量为332 kN-sec2 / m。 。 假定每个楼层的地震质量都集中在框架和桁架节点处。 3层和6层结构用于一项研究[27]，该结构比较了各种设计替代方案的性能，其中包括粘性阻尼器，粘弹性阻尼器，屈服装置和常规特殊弯矩框架。在本研究中，具有线性粘性阻尼器的两种设计也包括在后续的比较响应评估中。9 层结构的高度为 45.72 m x 45.72 m，高程为 39.62 m，如图所示图 3c.托架在两个方向上均为 9.144 m。建筑物的侧向承重系统由钢制周长 TGF 组成。结构的内部隔间由简单的框架组成，复合地板沿一个方向延伸。典型的地板高度为 4.267 m，在连续的地板高度上的弦中心之间测量。一楼的楼层高度为 5.486 m。9 层建筑物的圆柱基础建模为固定并固定在地面上，假定混凝土基础墙和周围的土壤限制了结构的水平位移。类似地，假设每个框架抵抗与整个结构相关的地震质量的一半。地面的地震质量为 963 kN-sec2/ m，第一层为 1007 kN-sec2/ m，第二到八层为 988 kN-sec2/ m m，对于屋顶为 1068 kN-sec2/ m；整个结构在地面以上的地震质量为 8990 kN-sec2/ m。
对于 3 层和 6 层建筑物，假定每个楼层的地震质量都集中在框架和桁架节点处。9 层结构是最初的 SAC 建筑物之一，最初被设计为 SMF，后来被重新设计为 STMF。[15] 并使用建议的替代 TGF 详细信息进行设计[17].具有 BRB 和重新定心设备的所有三个 TGF 结构的设计均遵循了前面介绍的步骤。表格 1 总结了 BRB 的设计特性，假设这些 BRB 的每个楼层每个楼层安装一个，并且设计横向力符合phi;= 0.5。SAP2000（CSI， 2007 年）用于评估基准常规 STMF 设计和建议的包含辅助设备的 TGF 的性能。进行了非线性推覆和响应历史分析（nRHA）；每个 nRHA 之前都要进行非线性重力载荷分析。对于 9 层结构，在 50 年中总共使用了 9 个 10％（设计基准地震； DBE），在 50 年中总共使用了 5 个 2％（最大可信地震； MCE），使用了SAC LA 地区的地震动时程（表 2) [28,29]. 对于 3 层和 6 层结构，总共使用了 7 种地面运动，即 EQ03 至 EQ19，如表 2.EQ 记录是 DBE 级别的地面运动，放大 3/2 倍后也用作 MCE 级别的运动。将平均响应光谱与设计光谱进行比较图 7.在所有模型中，都将非线性刚性-塑性弯矩-旋转铰链特性以及相应的 PM 屈服相互作用表面引入到被建模为梁柱单元的结构单元的端部。BRB（ 图 2a） 使用可在SAP2000 中使用的塑料 Wen 型非线性链接元素建模[30].使用与塑料 Wen 型元件平行的多线性弹性元件，对重新定心装置进行建模，以捕获所需的预紧力和重新定心特征（图 2b).进一步的建模细节可以在下面找到。
5.静力弹塑性分析报告
图4至图8对比了不同案例结构的(一阶模态)基底剪力与顶板位移的推覆能力。图中还显示了铰链形成的不同阶段(即损伤、屈服)和相应的描述。如图4所示，在3层TGF结构中，顶板位移为0.18 ~ 0.21 m时，第一层柱底部开始形成塑性铰，顶板位移约
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