支撐—異形柱鋼框架結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析

(深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東深圳 518000)

Push-over分析，即靜力非線性分析，是一種基于性能評(píng)估結(jié)構(gòu)抗震能力和設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)的方法，它可以比較精確的分析結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能，包括結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形的分布、構(gòu)件的屈服順序、承載的薄弱部位和可能發(fā)生的破壞形式。較之一般線性抗震分析，Push-over分析可以提供更為有用的設(shè)計(jì)信息。

1 基于Push-over方法的異形柱框架結(jié)構(gòu)分析過程

Push-over方法是先算出各層樓面的地震荷載，然后以側(cè)向荷載方式作用于結(jié)構(gòu)模型，逐級(jí)增加側(cè)向荷載，直至結(jié)構(gòu)模型控制點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)位移或者結(jié)構(gòu)傾覆。在Push-over分析中，不同的側(cè)向力分布模式將產(chǎn)生不同的結(jié)果:當(dāng)結(jié)構(gòu)高振型的影響較小時(shí)，可以采用較為簡(jiǎn)單的倒三角側(cè)向力分布;若結(jié)構(gòu)有較多樓層且不規(guī)則時(shí)，則要考慮高振型的影響。

異形柱框架結(jié)構(gòu)Push-over分析方法的一般過程:

1)建立結(jié)構(gòu)的模型，包括幾何尺寸、物理參數(shù)、節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的編號(hào)，求出各構(gòu)件的塑性承載力。

2)求出結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的內(nèi)力，以便和水平荷載作用下的內(nèi)力進(jìn)行組合。

3)施加一定量的沿高度呈一定分布的水平荷載;水平荷載施加于各樓層的質(zhì)心處，水平荷載值的選取應(yīng)使結(jié)構(gòu)在該水平荷載增量作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和豎向荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及前面所有的n步結(jié)構(gòu)的累計(jì)內(nèi)力相疊加以后，剛好使一個(gè)或一批構(gòu)件進(jìn)入屈服狀態(tài)為宜。

4)對(duì)于上一步進(jìn)行屈服的構(gòu)件，改變其狀態(tài)，形成一個(gè)新的結(jié)構(gòu)，修改結(jié)構(gòu)的剛度矩陣并求出新的結(jié)構(gòu)的自振周期，在其上施加一定量的水平力荷載，又使一個(gè)或一批構(gòu)件恰好進(jìn)入屈服狀態(tài)。

5)不斷重復(fù)第4)步直到結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)位移。記錄每一步的結(jié)構(gòu)自振周期并累計(jì)每一步施加的荷載。

6)成果整理:將每一個(gè)不同的結(jié)構(gòu)自振周期及其對(duì)應(yīng)的水平力總量與結(jié)構(gòu)自重的比值繪成曲線，也把相應(yīng)場(chǎng)地的各條反應(yīng)譜曲線繪在一起，其形狀如圖1所示。然后由圖1可以對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評(píng)估。

圖1 Push-over分析成果示意圖

2 算例和討論

采用兩跨三層鋼框架結(jié)構(gòu)，層高3 m，采用人字支撐，見圖2～圖4。鋼材選用Q235鋼，柱截面分別采用H型鋼300×305×15×15，異形柱(H450×200×9×14+T200×200×8×13)，梁截面采用H260×160×5×8，支撐截面采用2∠90×6。樓板采用100 mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板?？蚣芙Y(jié)構(gòu)所在地區(qū)7度設(shè)防，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ，建筑場(chǎng)地地面粗糙度為B級(jí)。

圖2 H形柱平面圖

圖3 異形柱平面圖

圖4 支撐—鋼框架立面圖

目前可以進(jìn)行 Push-over分析的軟件有 ETABS，SAP2000，SCM3D，DRAIN-TABS，CANNY等。本文采用ETABS進(jìn)行靜力彈塑性分析。

2．1 進(jìn)行Push-over分析的破壞過程

表1 純鋼框架(H形柱)進(jìn)行Push-over的破壞過程

不考慮和考慮支撐作用的H形柱鋼框架進(jìn)行Push-over的破壞過程如表1，表2所示。從表1中可以看出，在純鋼框架中所有橫向梁未失去承載力時(shí)，一層柱腳便已喪失承載能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。從表2可以看出，支撐—H形柱鋼框架進(jìn)入彈塑性階段之前，支撐和鋼框架共同組成了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系。隨著水平荷載的不斷施加，各層支撐相繼進(jìn)入彈塑性階段，并迅速進(jìn)入承載力極限狀態(tài)，退出工作。隨著結(jié)構(gòu)內(nèi)力的不斷重分布，一、二層梁隨后失去承載能力。最后因?yàn)橐粚又_失去承載能力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞(見圖5，圖6)。對(duì)比可知，純鋼框架體系梁的承載能力仍有富余，而結(jié)構(gòu)卻因柱腳失去承載力而破壞。支撐框架體系梁的承載能力得到充分利用后結(jié)構(gòu)才破壞。同時(shí)支撐先于梁柱破壞也保證了結(jié)構(gòu)具有多道抗震防線。

表2 支撐—鋼框架(H形柱)進(jìn)行Push-over的破壞過程

圖5 純鋼框架（H形柱）柱腳破壞圖

圖6 支撐—鋼框架（H形柱）柱腳破壞圖

表3 純鋼框架(異形柱)進(jìn)行Push-over的破壞過程

表4 支撐—鋼框架(異形柱)進(jìn)行Push-over的破壞過程

不考慮和考慮支撐作用的異形柱鋼框架進(jìn)行Push-over的破壞過程如表3，表4所示。從表3中可以看出，所有橫向梁先進(jìn)入彈塑性階段，然后一層柱腳進(jìn)入彈塑性階段，隨后一層柱腳失去承載力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。從表4可以看出，隨著水平荷載的增加，各層支撐先進(jìn)入彈塑性階段，很快失去承載力。然后一、二層梁失去承載力，最后一層柱腳失去承載力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞(見圖7，圖8)。通過對(duì)比可知，支撐—異形柱鋼框架結(jié)構(gòu)可以充分利用梁的承載能力，并為結(jié)構(gòu)抗震提供多道防線。

圖8 支撐—鋼框架（異形柱）柱腳破壞圖

表2，表4分別為支撐—鋼框架(H形柱)、支撐—鋼框架(異形柱)進(jìn)行Push-over的破壞過程，從表2可以看出，支撐—鋼框架(H形柱)的一層柱腳進(jìn)入彈塑性階段發(fā)生在二層支撐失去承載力之后，三層支撐失去承載力之前。從表4可以看出，支撐—鋼框架(異形柱)的一層柱腳進(jìn)入彈塑性階段發(fā)生在三層支撐失去承載力之后。這是因?yàn)镠形柱兩個(gè)方向的彈性截面模量相差很大，而異形柱兩方向的彈性截面模量相近，而支撐方向是H形柱的弱軸方向，因此一層柱腳先于異形柱鋼框架進(jìn)入彈塑性階段。

2．2 基底剪力與頂點(diǎn)位移關(guān)系曲線

圖9，圖10顯示支撐異形柱鋼框架橫向抗側(cè)剛度大于支撐H形柱鋼框架。

圖9 支撐—鋼框架（H形柱）

圖10 支撐—鋼框架（異形柱）

3 結(jié)語(yǔ)

1)采用支撐—鋼框架體系時(shí)，梁的承載能力得到充分利用，支撐先于梁柱破壞也為結(jié)構(gòu)抗震提供多道防線。2)異形柱的雙向彈性截面模量相近，因此在結(jié)構(gòu)弱側(cè)也具有較好的抗震性能。

［1］李國(guó)強(qiáng)，李 杰，蘇小卒．建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005:197-203．

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