鋼管混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

魏翠玲，王利云，劉永剛

(1.河北工程大學(xué) 建筑學(xué)院，河北 邯鄲056038;2.昊華工程有限公司，北京100089)

鋼管混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)兼有框架結(jié)構(gòu)空間布置靈活和剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大等特點(diǎn)，目前對(duì)該結(jié)構(gòu)的研究大多集中于整體地震模擬試驗(yàn)［1－4］和梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能方面［5］，而對(duì)該結(jié)構(gòu)的抗震性能理論數(shù)值分析相對(duì)較少。本文針對(duì)鋼管混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的整體抗震性能進(jìn)行理論研究，采用SAP2000有限元分析軟件分別對(duì)12層鋼管混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)和12層鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和地震響應(yīng)彈塑性時(shí)程分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的頂點(diǎn)位移和最大絕對(duì)加速度等數(shù)值進(jìn)行比較分析，為該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)模型的建立

建立12層鋼管混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)模型(圖1)，結(jié)構(gòu)層高均為3 m，總高度為36 m，結(jié)構(gòu)采用方鋼管混凝土柱，截面為500 mm×500 mm，鋼管壁厚為20 mm，鋼梁截面為H500 mm×300 mm×11 mm×18 mm，樓板厚120 mm，混凝土等級(jí)為C35，剪力墻厚180 mm，結(jié)構(gòu)鋼材均采用Q345，混凝土強(qiáng)度均為C40。該結(jié)構(gòu)按8度設(shè)防，場(chǎng)地類別為Ⅱ類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地特征周期為0.40 s，設(shè)計(jì)基本地震加速度為 0.20ɡ。本文地震波采用EL－Centro波，蘭州波和唐山波，記錄時(shí)間長(zhǎng)度取為 30 s，時(shí)間間隔為0.01 s。在SAP2000中框架梁柱采用桿單元模擬，板和剪力墻采用shell殼單元模擬［10］，并與12層鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析。

2 結(jié)構(gòu)模型的分析

結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析一般常用方法為振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法，由于振型分解反應(yīng)譜法不能反映地震作用下非線性的反應(yīng)過(guò)程，尤其是在強(qiáng)烈地震作用下結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)，基于彈性分析的反應(yīng)譜法就不能得到真正的地震反應(yīng)，而時(shí)程分析法可以跟蹤結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的整個(gè)反應(yīng)過(guò)程，并適用于結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)分析［5］。所以本文采用時(shí)程分析法［7］進(jìn)行地震響應(yīng)分析。

2.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性分析得出鋼管混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)與鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的前10階自振周期表1所示，分析結(jié)果可以看出，鋼管混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的自振周期明顯減小，由結(jié)構(gòu)剛度大、自振周期小可知在鋼筋混凝土剪力墻作用下鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)具有較好的整體抗震性能。

2.2 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

1)位移分析。圖2給出了在不同地震波作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)層間最大位移值，可以看出鋼管混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)最大位移明顯小于鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)最大位移。根據(jù)位移計(jì)算得在El－Centro波、蘭州波、唐山波作用下，鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)層間最大位移角分別為1/848、1/2 998、1/623，鋼管混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)層間最大位移角分別為 l/1 909、1/5 660、1/1 424，可以看出鋼管混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)層間最大位移角明顯小于鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的最大位移角，且均符合規(guī)范規(guī)定［6］結(jié)構(gòu)在地震作用下層間位移角限值1/550。

表1結(jié)構(gòu)的前10階自振周期Tab.1 Top 10 order nature periods of the structures s

2)加速度分析。結(jié)構(gòu)頂層在3種地震波作用下的加速度時(shí)程曲線如圖3所示。由計(jì)算結(jié)果知，在El－Centro波、蘭州波、唐山波作用下，鋼管混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的頂層最大絕對(duì)加速度分別為 1 648 mm/s2、769 mm/s2、2 015 mm/s2，鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的頂層最大絕對(duì)加速度分別為1 875 mm/s2、1 612 mm/s2、2 673 mm/s2。由此可知，在3種地震波作用下，鋼管混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的水平向加速度峰值均比鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的水平向加速度峰值有所降低。

3)基底最大剪力分析。表2給出了兩類結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下基底剪力最大值。

表2兩類結(jié)構(gòu)基底剪力最大值Tab.2 Maximum shear force of the bottom of two kinds of structures kN

3 結(jié)論

1)在不同地震波作用下鋼管混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的自振周期明顯小于鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的自振周期，結(jié)構(gòu)剛度較鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)有所增加，表現(xiàn)出較好的抗震性能。

2)與鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的層間位移最大值分別降低40%、38%、41%，頂層加速度峰值分別降低18%、47%、25%，基底剪力最大值分別降低35%、45%、32%，說(shuō)明鋼管混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)抵抗水平向地震作用能力、結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度、極限變形能力均有提高，抗震效果好于鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震效果。

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