新型水平K型桁架-框架体系的抗震性能与设计方法_任彧.pdf

分析探讨一种新型的水平 K 型桁架-框架体系,该体系适用于中高烈度抗震设防地区的多层物流仓库。该体系在仓储结构单元各防火分区的周边布置 K 型加强单元,增加了主体结构的刚度,同时满足物流工艺要求。此外,对K 型加强框架和常规框架进行静力弹塑性推覆分析和动力时程分析,比较二者受力机制和破坏模式的差异。有限元分析结果表明,K 型加强单元可以作为耗能构件,显著提升主体结构在中大震下的延性抗震性能,确保框架具有双重抗震防线,在设防烈度地震下主体结构不受损,震后只需局部更换 K 型加强单元斜杆。该设计方法具有很好的工程应用价值。关键词:抗侧力体系;水平 K 型加强单元;刚度增强效应;抗震延性中图分类号:TU3 文献标识码:A 文章编号:1004-6135(2023)06-0048-06Seismic Performance and Design Method of New Horizontal K-joist-frame systemREN Yu WU Yujun(Fujian Construction Engineering Prefabricated Building Research Institute Co.,Ltd.,Fuzhou 350001)Abstract:This article analyzes and explores a new type of horizontal K-braced reinforced frame system that is suitable for multi-story lo-gistics warehouses in areas with intermediate to high seismic fortification requirements.The system arranges K-braced units around theperimeter of each fire protection partition of the storage structure unit,increasing the stiffness of the main structure and meeting the require-ments of logistics processes.The article conducts static elastic-plastic pushover analysis and dynamic time history analysis of the K-braced reinforced frame and conventional frame respectively,comparing the differences in their stress mechanisms and failure modes.Finiteelement analysis results show that K-braced units can serve as energy dissipation components,significantly improving the ductility andseismic performance of the main structure under moderate to large earthquakes,ensuring that the frame has a dual seismic defense line,andthe main structure remains undamaged in the event of an earthquake with the designed seismic intensity.Only the damaged diagonal bracesneed to be locally replaced after the earthquake,this design method has good engineering application value.Keywords:Lateral force resisting system;Horizontal K-braced reinforced units;Stiffness enhancement effect;Seismic ductility作者简介:任彧(1974-),男,教授级高级工程师。E-mail:fzrenyu 收稿日期:2023-04-140 引言近年来,随着我国电子商务的迅猛发展,物流产业进入了快速发展期,物流仓储在物流业务中起到缓冲、调节和平衡的作用。多层物流仓库能够提升货物周转效率,扩大仓储面积,节约土地资源,符合集约化利用土地的政策性要求,逐渐成为中心城市周边物流仓储的主要建造形式。目前主流的多层物流仓库的层高通常在 10 m 12 m,柱距10 m 12 m,最大楼面使用载荷为20 kN/m2,与常规的民用建筑存在较大的区别。由于物流工艺的要求,多层物流仓库与卸货平台相邻一侧需要结构构件的布置,不能影响卡车的卸货作业。在中高烈度抗震设防地区,面对层高为常规民用建筑 3 4 倍,楼层使用载荷为常规民用建筑 8 10倍的多层物流仓库。如采用传统的现浇框架结构体系,主体结构的框架梁柱截面尺寸往往非常大,经济性差;如增设剪力墙、斜支撑等常规的抗侧力构件,则会降低物流仓储空间利用率,往往不能满足物流工艺的要求。如何高效增强框架结构的刚度、提高结构在地震作用下的性能,国内外学者开展了相应的研究。其中,Li 等人1对 K 型偏心撑框架进行了地震需求评估,结果表明 K 型结构的耗能能力比传统结构更好。Tamai 等2通过研究表明,结构的截面形状对 K 型支2023 年 06 期 总第 300 期任 彧,吴雨君新型水平 K 型桁架-框架体系的抗震性能与设计方法49 撑结构的耗能能力也有一定的影响。此外,近年来国内对高强度结构钢材(HSS)应用于偏心 K 型支撑框架也进行了体系研究。李腾飞等人3进行了高强钢组合 K 型偏心撑框架的基于 Open Fresco 试验平台的混合试验研究,试验结果表明,结构具有良好的耗能性能和变形能力。田小红等人4通过振动台试验,结合有限元,分析研究了不同强度组合的高强钢组合 K形偏心支撑框架结构的抗震性能。结果表明,与传统偏心支撑钢框架相比,结构的耗能能力和刚度有明显提高。本文提出一种适用于中高烈度抗震设防区多层物流仓库的新型水平 K 型桁架-框架体系(图 1)。该结构体系在仓储结构单元各防火分区周边的框架中,设置水平放置的 K 型加强单元。该加强单元为设置于层高中点以下的水平杆,以及 V 型斜撑组成的桁架式耗能组件。该加强单元不会影响门窗、防火卷帘的安装,还可以兼做内部隔墙和围护外墙的支承构件。由高延性材料制成的 K 型加强单元(以下简称 K撑),既可以增加主体结构的刚度,又可作为耗能构件,提升主体承重结构在中大震下的延性。上述成果已获得国家知识产权局的专利授权5。图 1 新型 K 撑加强框架体系轴侧图本文选取一个典型 3 层物流仓库为研究对象,对K 撑 加 强 框 架 和 常 规 框 架 进 行 对 比 分 析。在SAP2000 中,采用倒三角分布加载模式,对计算模型进行静力推覆分析以及大震下的动力弹塑性时程分析,将静力推覆的结果和动力弹塑性时程分析的结果进行对比,综合考察新型结构体系中各类构件的破坏模式,并对结构整体抗震性能进行评估。1 设计模型算例选用 3 层混凝土框架结构,主要设计条件如下:层高均为 12 m,建筑总高度 36 m,双向柱距均为12 m,楼面均布活载 20.0 kN/m2;抗震设防烈度为 7度,类场地,场地特征周期 Tg=0.55 s。结构平面、立面布置如图 2 所示,结构构件的截面尺寸和材料选用如表 1 表 2 所示。(a)结构平面与防火分区布局(b)1、4、7、A 和 G 轴线立面图图 2 算例平面布置图、立面布置图表 1 梁、柱截面尺寸及混凝土强度等级层号层高/mm框架柱框架梁边柱/mm中柱/mm硂等级X 向主梁/mmY 向主梁/mmY 向次梁/mm硂等级112000900 900900 900C50500 1300500 800350 800C402-312000800 800800 800C50500 1300500 800350 800C4050 福 建 建 筑2023 年 K 型加强单元沿物流仓库防火分区周边进行布置,由于其下弦杆高于运输车辆通行高度,因此上述布置方案对物流仓库的工艺流程不会造成干扰,且不影响仓库内部仓储空间使用率。上述结构布局可以增加结构的扭转刚度,降低多向地震输入时的震害。在保证结构沿竖向无刚度突变的前提下,K 撑可以连续设置,也可间隔设置。表 2 K 撑截面选型表构件截面/mm钢材截面高度翼缘宽度腹板厚度翼缘厚度mmmmK 撑斜杆200 200 12 12 12 12Q3450.20.20.0120.012K 撑下弦杆500 500 25 25 25 25Q3450.50.50.0250.0252 结构受力机制分析(1)侧向刚度增强机制侧向力工况下的柱端弯矩分布如图 3 所示,与 K撑相连的框架柱的反弯点下移,楼层处的柱弯矩明显大于未与 K 撑相连的框架柱。与 K 撑相连的框架柱的有效计算长度明显小于层高,其线刚度显著变大,进而增强了结构整体的侧向刚度。同时,高度接近层高 50%的 K 撑桁架的刚度,远大于普通框架梁柱,计算结果显示,K 撑加强框架的层间位移角,相较于无K 撑框架减小了 45%,如图 4 所示。(a)边跨布置 K 撑位置(b)中跨无 K 撑位置图 3 侧向力工况下的柱端弯矩分布图 4 层间位移角对比(K 撑加强框架 vs 无 K 撑框架)(2)耗能机制在侧向力工况下的构件轴力分布如图 5 所示。计算结果表明,大量的输入能量,以轴向变形能的形式,被 K 撑承担。在往复的水平地震作用下,K 撑斜杆可以通过轴向塑性变形进行耗能,通过局部的轴向屈服,来保护结构体系中的其他关键构件。(a)边跨布置 K 撑位置(b)中跨无 K 撑位置图 5 侧向力工况下的轴力分布3 静力推覆分析(1)性能点对 K 撑加强框架和对照框架进行 Push-over 分析,按照 ASCE43-13 方法计算生成的铰属性:对梁单元指定端部 M3 铰,对柱单元指定端部 PMM 铰,对K 撑斜杆和下弦杆指定中部 P 铰。通过位移控制方式加载,目标位移设为楼高的 2%=0.72 m。图 6 地震能力需求谱曲线(K 撑加强框架 vs 无 K 撑框架)Push-over 分析给出的能力需求谱曲线如图 6 所示。传统框架在在 7 度 0.1 g 罕遇地震下,与需求曲线没有交点,结构性能不能满足要求;K 撑加强框架的性能2023 年 06 期 总第 300 期任 彧,吴雨君新型水平 K 型桁架-框架体系的抗震性能与设计方法51 点位于谱位移 Sd 为0.2 m 处。计算结果显示,K 撑加强框架在7 度0.1 g 罕遇地震下,不至发生倒塌破坏。(2)构件的屈服顺序及损伤评价为研究 K 撑加强框架中各类构件的屈服顺序和损伤程度,采用加权统计方法,加权系数取值及计算公式如表3 所示。图7 给出了能够表征不同构件屈服先后次序,以及塑性铰发育水平的破坏率加权曲线。表 3 塑性铰状态的加权系数取值表塑性铰状态 A-BB-IO IO-LS LS-CP CP-CC-DD-EE加权系数00.10.20.30.40.60.81构件破坏率=(塑性铰数量 ni加权系数 ki)构件总数 N,分析步数 i=0,.,45图7 K 撑加强框架的构件破坏率加权曲线统计结果显示:在 Pushover 最终阶段,K 撑斜杆全部失效;框架梁塑性铰56%进入屈服,44%达到承载力极限,最终破坏率46.7%;与 K 撑相邻的框架柱率先于其它位置柱底截面进入屈服,最终破坏率14%18%。整体而言,框架柱的破坏率远低于梁和 K 撑。图8 给出了在 Pushover 分析过程中构件屈服顺序:塑性铰首先在框架梁梁端出现,随后出现在 K 撑斜杆中部,随着推覆力的增大,上述塑性铰逐渐由 IO 阶段过渡到 CP 阶段,其中 K 撑斜杆的损伤程度最大。当全部 K撑斜杆均达到 CP 阶段后,出现柱端塑性铰,接近结构破坏。需要指出:由于 K 撑存在,使得多楼层处均出现的柱底部的塑性铰,这与常规框架的柱塑性铰主要发生在底层柱根处,有较大的不同。综上所述,K 撑加强框架的冗余度大、延性好,具有多道防线,可以有效耗能。Step6(边跨布置 K 撑)Step6(中跨无 K 撑)Step16(边跨布置 K 撑)Step16(中跨无 K 撑)Step35(边跨布置 K 撑)Step35(中跨无 K 撑)Step45(边跨布置 K 撑)Step45(中跨无 K 撑)图8 Push-over 构件塑性铰发展过程(3)结构整体损伤评价图9 给出了 K 撑加强框架的位移-基底剪力曲线,结合前述的构件塑性铰发展顺序及分布,将 Push-over全过程分为 5 个水准和9 个状态点,综合评价整个结构的损伤程度和损伤分布状况。图9 K 撑加强框架的位移-基底剪力曲线52 福 建 建 筑2023 年9 个状态点分别对应:梁端出现塑性铰(A 点);2层 K 撑斜杆屈服(B 点);底层 K 撑斜杆出铰(C 点);底层 K 撑斜杆屈服(D 点);其他层 K 撑斜杆屈服(E点);底层 K 撑斜杆完全失效(F 点);与 K 撑相交底层柱出铰(G 点);其它框架柱底出铰(H 点);底层柱铰屈服(I 点)。参照建筑物地震破坏等级(GB/T 24335)的规定,结构整体损伤发展过程可以划分为:Level-1 阶段,未出现塑性铰,结构完好;Level-2 阶段,梁端出现塑性铰,结构轻微损坏,不需修理即可继续使用;Level-3 阶段,K 撑斜杆塑性铰逐层达到承载极限后渐次失效,与 K 撑相交的底层柱底出现塑性铰,结构中等破坏,需适当加固或替换;Level-4 阶段,各 K 撑完全失效,各层框架梁端塑性铰均屈服,结构损坏比较严重,但不影响生命安全;Level-5 阶段,底层柱底均出现塑性铰,结构损坏严重,临近倒塌。4 非线性时程分析结果以下采用动力时程分析法,对 Push-over 计算结果进行验证。在 PEER(太平洋地震工程研究中心地震动数据库)的地震动数据库中,选择频谱特性各不相同的6 条实际记录的地震波(图10)。地震波峰值分别调整为 7 度 0.1 g、7 度 0.15 g 的罕遇地震所对应的加速度值,计算在不同地震烈度下,每组地震时程波导致的结构变形包络图,和最终的构件塑性铰破坏位置。图 10 根据规范反应谱选取时程波时程分析结果显示:7 度 0.1g 大震下,1-2 层 K撑斜撑达到承载力极限强度,二层梁端部全部出铰,三层梁端局部出铰,柱底没有出铰,时程分析结果,与采用 FEMA440 等效线性化法计算获得的 7 度大震需求谱下的性能点(Sa=0.096,Sd=0.134)所对应分析步呈现出的构件损坏程度一致(图 11)。7 度 0.15g大震下,K 撑率先全部失效;梁端全部出铰,底层柱底全部受弯剪屈服,该结果及构件出铰顺序,同样与Push-over 计算得到的屈服机制一致,如图 12 所示。结构弹塑性分析证明,在罕遇地震作用下,K 型加强单元的斜杆会首先材料屈服,消耗大量地震能量,显著减少框架柱的损伤,保证了结构“大震不倒”。(a)边跨布置 K 撑位置(b)中跨无 K 撑位置图 11 7 度 0.1g 时程分析的塑性铰分布(a)边跨布置 K 撑位置(b)中跨无 K 撑位置图 12 7 度 0.15g 时程计算塑性铰分布5 柱配筋率影响根据前文分析可知,与 K 撑相连的框架柱相较于其它框架柱,会受到更强的地震力作用,建议在设计时,应视为关键构件。以下讨论 K 撑相连柱配筋率对结构性能的影响。算例 A:与所有框架柱配筋率均为 2.23%;算例B:K 撑相连柱配筋率 5.02%,其它框架柱配筋率2.23%。对两者分别进行 Pushover 分析。图 13 不同配筋率框架柱破坏率加权曲线2023 年 06 期 总第 300 期任 彧,吴雨君新型水平 K 型桁架-框架体系的抗震性能与设计方法53 图 13 破坏率加权曲线计算结果表明:在算例 A中,K 撑相连柱先于其他柱出铰,而且损伤率显著高于其他框架柱;提高 K 撑相连柱的配筋率后,两者出铰的时间比较接近,而且全部框架柱的损伤程度有明显改善。换而言之,在增强 K 撑相连柱配筋后,地震能量的耗散由框架柱转移至其他构件,有效保证了关键构件的安全性,进而提高结构的抗倒塌能力。6 结论本文采用静力推覆分析和弹塑性动力时程分析,对 K 撑加强框架的抗震性能展开研究。计算结构显示:与常规框架体系相比,K 撑加强框架的抗侧刚度显著增强,抗震性能明显提高。K 撑加强框架为双重抗侧力体系(dual seismic force-resisting system),K撑斜杆的轴向屈服是第一耗能机制;当全部 K 撑斜杆失效后,结构退化为标准框架体系,以梁端抗弯塑性铰作为第二耗能机制。正确设计的 K 撑加强框架,可以实现设防烈度地震下框架结构不损坏,震后仅需要更换损伤的 K 撑斜杆。根据算例分析,本文提出以下设计建议:(1)为使 K 撑在地震作用下能够有效消耗地震能量,需要正确选择 K 撑及框架的截面,使构件的屈服顺序符合预期,并保证结构在适当的位移下进入塑性。(2)K 撑斜杆应选择高延性材料以保证耗能能力,建议选用钢构件或屈曲约束支撑 BRB。(3)与 K 撑相连的框架柱为关键竖向构件,会先于其它框架柱发生震损,在设计时应予以加强。建议采用型钢混凝土截面。参 考 文 献1 Li H,Zhang W,Wei Q.Seismic demand assessment on K-configuration eccentrically braced framesC/Structures.Elsevier,2022,45:1225-1238.2 Tamai H,Kondoh K,Kitagawa Y,et al.Shape effect on seismicenergy absorption capacity of hysteretic damper for K-bracedframeC/12th World Conference of Earthquake Engineering(12WCEE),Auckland,NewZealand.2000,2674.3 李腾飞,苏明周,隋龑,等.高强钢组合 K 形偏心支撑钢框架抗震性能混合试验J.工程力学,2019,36(04):100-108,124.4 田小红,苏明周,杨水成,等.高强钢组合 K 形偏心支撑框架抗震性能对比分析J.建筑结构学报,2020,41(10):42-49.5 任彧,张雅杰,池思源,等.用于中高烈度地区的新型多层物流仓库结构P.CN202210477328.7.2022.(上接第 18 页)除草工作与苗木的病虫害情况有着直接的联系,因此,种植人员要及时地进行除草,让病虫害没有生存的空间,有效地避免苗木遭受病虫害的侵害5。(4)苗木的整形修剪与病虫害管理在修剪乔木时,主要对一些残枝、病虫枝等及时的剪除,以免影响其他苗木的生长。在修剪灌木时,对于观形灌木,可以对中老树枝进行不同批次的剪除且陆续培养新树枝,以达到预期的形状。对于一些能够开花的灌木,不需使用上述的修剪方法。养护中,病虫害管理是非常重要的,对于苗木病虫害的防治,药剂防治见效快,使用也方便。在使用药剂时,应根据病虫害的类别选择最佳的药剂,最大限度地消灭病虫害。应尽量推广、示范,使用高效、低毒、环境友好的药剂,比如,Bt、灭幼脲、甲维盐、绿浪等,上述药剂是目前使用最广泛的无公害药剂。3 结语综上所述,盐碱地区的园林绿化苗木种植技术的关键,是采取综合的土壤,改良并辅以科学的选择园林绿化苗木品种,才能取得预期的效果。后期苗木其种植和养护也是十分重要的工作环节。该项工作除了能够给景观园林创造美好的感官享受,还能够对空气和环境起着良好的绿化作用。在新时代到来之际,人们不仅仅对物质生活有所需要,更多的是对健康的追求和精神世界的追求。因此,园林绿化苗木的种植和养护工作,要不断地做出优化和完善,造福于民。参 考 文 献1 李光明.浅谈滨海盐碱地绿化种植J.城市建设理论研究:电子版,2013(24):948.2 张娟萍.浅析园林绿化中苗木种植施工与养护技术.新时期背景下的园林绿化J.花卉,2018(06):4.3 于帅昌.王明义.浅谈园林垂直绿化苗木植物的栽培与养护J.农业的建设和发展,2018(12):94.4 陈晨.丁金辉.城市建设.园林绿化中苗木种植施工与养护技术浅析J.南方农业,2020,14(3):42.5 薛沅.浅谈城市园林绿化苗木栽植与养护技术.园林艺术发展方向J.名城绘,2020(08):13.