限制屈曲支撐布置形式對結構抗震性能的影響*

董作超 王洪嶺

0 引言

在建筑鋼結構中,合理的支撐布置形式,不僅可以提高結構剛度,控制結構側移,還可以最大程度地減小支撐對柱引起的附加內力的影響。總的來說,傳力直接、明確的支撐體系,其抗側移剛度要明顯好于其他支撐體系[1]。本文通過改變限制屈曲支撐的布置方式,來探討其對框架抗震性能的影響規(guī)律。

1 計算模型

對6層、24層結構的12種不同布置形式進行對比分析,僅給出6層結構支撐布置圖。

支撐的不同布置形式如圖1所示,模型結構構件的尺寸如表1所示。各模型的支撐數(shù)量與構件的尺寸均相同。

表1 模型結構構件的尺寸

X向跨度取為8 m,Y向跨度取為6 m,Y向為邊跨,層高5 m。

豎向荷載:結構自重、樓面恒載:8.0 kN/m2。樓面活荷載取為2.0 kN/m2?？拐鹪O防烈度取為8度,設計地震分組為第一組,屬于Ⅱ場地。

地震影響系數(shù)曲線最大值采用0.16,阻尼比按規(guī)范規(guī)定選取,時程分析[2]所用地震加速度時程曲線的最大加速度幅值在罕遇地震下取為400 gal。

單元材料:框架梁柱為 Q345,支撐Q235,泊松比均為0.3。

ANSYS有限元模型:采用Beam188三維桿件有限元模型。

從支撐的布置位置分為如下幾類:

1)支撐布置于第1,3,4,6跨,即為布置于框架的邊跨和中間垮(如圖1中a)和 f)所示);2)支撐布置于第2,3,4,5跨,即為集中布置于框架的中間跨(如圖 1中d),e),h),k),l)所示);3)支撐布置于第1,2,5,6跨,即為布置于框架的邊跨(如圖1中b),c),g)所示);4)每跨均有支撐,側重于中間垮(如圖1中i)和j)所示)。

設單根支撐的長度為l(即每層每跨的對角線長度),則可按結構支撐的通長將框架劃分為如下幾類:

1)全部由通長為 l的支撐組成(如圖1中a),c),d)所示);2)由通長為 l和 2l的支撐組成(如圖1f)所示);3)全部由通長為2l的支撐組成(如圖1中b),e),g),h)所示);4)由通長為 l,2l和3l的支撐組成(如圖1中k),l)所示);5)由通長為2l和4l的支撐組成(如圖1i)所示);6)由通長為2l,4l和6l的支撐組成(如圖 1j)所示)。

2 計算結果及分析

2.1 模態(tài)分析

這里僅給出24層結構圖1a)和圖1j)的前五階振型[3](其他與此相似),如圖2所示。

由(圖1a)～1l))12種不同支撐布置框架支撐結構模型的一階頻率[4]說明:1)就支撐布置位置而言,三種層高下 i)和 j)布置的一階頻率最大,即每跨均有支撐,側重于中間跨的第4)種情況,一階固有頻率最大,其次為集中布置于框架的中間跨的第2)種情況,即圖1h),1d),1e),1k),1l),布置于框架的邊跨和中間跨的第1)種情況(圖1a),1f))和布置于框架邊跨的第3)種情況(圖1b),1c),1g))結果相差不大,都小于前兩者。2)對支撐布置形式來說,隨著支撐桿件通長的增加,結構的一階頻率也有一定程度的增加,尤其以第5)、第6)種情況最為突出。3)對比還可以發(fā)現(xiàn),支撐十字交叉的布置形式要比方向一致布置的一階頻率大。

2.2 振型分解反應譜分析

由模態(tài)分析可得出結構的振型和頻率,前幾階振型對結構的振動貢獻最大。故在進行振型分解反應譜法對12種不同支撐布置結構進行反應譜分析時,對振型參與系數(shù)[5]的計算一般取前幾階振型。最后得出結構地震作用效應如圖3～圖6所示。

從圖3～圖6樓層位移曲線和層間側移轉角可以看出:

1)隨著層數(shù)的增加,限制屈曲支撐布置形式對結構的地震作用效應的影響越為明顯;6層結構其變化所產生的影響區(qū)別并不大,而24層結構的地震作用效應有明顯的差別。其規(guī)律可歸納為:限制屈曲支撐布置于框架的邊跨和中間跨的第1)種類型(圖1a),1f))和布置于框架邊跨的第3)種情況(圖1b),1c),1g))結果各層位移及樓層側移轉角最大,對應于結構變形為彎曲形變形;而支撐集中布置于框架的中間跨的第2)種類型(圖1中h),d),e),k),l)),結構變形為彎剪型;布置位置為每跨均有支撐,側重于中間跨的第4)種類型,這種布置能更好的控制樓層位移和樓層側移轉角,其結構變形為剪切型,這種布置在高層結構中支撐布置位置所起的作用更為突出。

2)對于多層結構,最大層間側移轉角結構下部出現(xiàn)較大值,而高層結構層間最大側移轉角一般出現(xiàn)在結構的中上部位。

3)從支撐布置形式角度來說,隨著支撐桿件通長的增加,結構的樓層位移和層間側移轉角都有所減小,尤其以第5)、第6)種情況最明顯。

3 結語

通過對支撐形式進行分類,對比各種類型支撐布置形式對限制屈曲支撐框架結構抗震性能的影響,得出以下結論:在支撐桿件總用鋼量及規(guī)格均相同的情況下,有利于抗震要求[6]的布置位置依次為:每跨均布置支撐且側重于中間跨布置的支撐布置位置最有利于結構抗震,其次是集中布置限制屈曲支撐于中間跨,對支撐布置形式來說,隨著支撐桿件通長的增加,結構的抗震性能提高。

[1]周學軍,陳 魯,曲 慧.多、高層鋼結構支撐的布置方式對框架側向剛度的影響[J].鋼結構,2003,18(4):51-54.

[2]朱麗霞.結構抗震計算時程分析法的計算要點[J].科技情報開發(fā)與經濟,2002,12(3):118-120.

[3]徐月玲.結構抗震計算中關于主振型出現(xiàn)在高階振型問題的探討[J].廣西土木建筑,2007,27(21):48-52.

[4]劉 鳴,李世翠,劉伯權.高層建筑抗震設計振型數(shù)目選取原則[J].長安大學學報(自然科學版),2009,29(4):22-26.

[5]卞朝東,李愛群,婁 宇,等.高層連體結構振型及其參與系數(shù)的分析[J].建筑科學,2002,18(4):33-38.

[6]劉華新,孫志屏,孫榮書.抗震概念設計在高層建筑結構設計中的應用[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2007,26(2):222-224.