偏心支撐對(duì)不規(guī)則鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能影響分析

王　彪，雷慶關(guān),2

(1.安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601； 2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

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偏心支撐對(duì)不規(guī)則鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能影響分析

王彪1，雷慶關(guān)1,2

(1.安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601； 2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

摘要：高層建筑偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)體系近年來得到迅猛的發(fā)展，在地震作用下，偏心支撐鋼框架的耗能梁段率先受剪屈服,通過它的塑性變形來耗散地震能量,從而減小結(jié)構(gòu)其他構(gòu)件的受力,以保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。本文是從總耗能長(zhǎng)度一致的情況下,分析了其對(duì)偏心支撐鋼框架抗震性能的影響。本文運(yùn)用有限元分析軟件SAP2000,分別對(duì)四種形式(人字形、V字形、八字形、單斜桿)的偏心支撐進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：鋼框架；偏心支撐框架；抗震性能；時(shí)程分析

0引言

鋼框架偏心支撐結(jié)構(gòu)在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中常用的結(jié)構(gòu)形式，鋼框架支撐結(jié)構(gòu)是在鋼框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過在部分框架柱之間布置支撐來提高結(jié)構(gòu)承載力及側(cè)向剛度。支撐體系與框架體系共同作用形成雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，這不但為結(jié)構(gòu)在正常受力情況下提供了一定的剛度，而且為結(jié)構(gòu)在水平地震作用及較大風(fēng)荷載作用下，提供了兩道受力防線，形成了人們較理想的破壞機(jī)制。

偏心支撐框架的每根支撐應(yīng)至少有一端與框架梁連接，并在支撐與梁交點(diǎn)和柱之間或同一跨內(nèi)另一支撐與梁交點(diǎn)之間形成消能梁段。偏心支撐包括人字形偏心支撐，V字形偏心支撐，八字形偏心支撐，單斜桿偏心支撐等。偏心支撐適用于抗震設(shè)防等級(jí)較高的地區(qū)或安全等級(jí)要求較高的建筑，而且相對(duì)中心支撐而言可以比較容易解決門窗布置受限的難題。 本文主要通過SAP2000對(duì)耗能長(zhǎng)度一致的四種上述偏心支撐在地震作用下的響應(yīng)影響分析，探討上述四種偏心支撐的布置方式對(duì)不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu)建筑物的地震響應(yīng)影響。

1分析理論

地震分析的理論方法主要分為彈性地震反應(yīng)分析以及非彈性的地震反應(yīng)分析[1]。本文主要介反應(yīng)譜分析法以及時(shí)程分析法。地震作用的反應(yīng)譜分析從本質(zhì)上來說是用模擬的動(dòng)力分析的方法來對(duì)地震響應(yīng)分析，然后統(tǒng)計(jì)成反應(yīng)譜曲線，最后的結(jié)構(gòu)分析是通過靜力的方法實(shí)現(xiàn)的[2]。反應(yīng)譜分析的方法[3]如下：

(1)

公式(1)考慮了三個(gè)方向的地震力作用，我們通常根據(jù)公式(2)繪制最大響應(yīng)ymax(ω)的曲線：

(2)

然后根據(jù)Tn的第n階振型與之對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜值S(ωn)可以得到結(jié)構(gòu)的最大模態(tài)位移如式(3)：

(3)

結(jié)構(gòu)的最大模態(tài)響應(yīng)位移為式(4):

(4)

反應(yīng)譜分析方法能夠彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)時(shí)程分析法的不足，時(shí)程分析的方法在本質(zhì)上屬于擬動(dòng)力方法，它只是對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)最大值進(jìn)行估算，但它并不是對(duì)結(jié)構(gòu)真實(shí)的動(dòng)力響應(yīng)分析。線性時(shí)程主要是通過結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)力微分方程公式(5)進(jìn)行求解得到結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下結(jié)構(gòu)的基本響應(yīng)大小的方法[4]。如下式：

(5)

2工程背景及模型介紹

本工程處于8度區(qū)，二類場(chǎng)地，第三組，21層鋼框架，底層4.5m,2層以上3.5m采用高層鋼框架結(jié)構(gòu)三維模型(如圖1),共20層,一層層高4.5m，其余層高各3.6m，總共74.5m。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》H1/H=28.9%>20%;其次B1/B=66.7%<75%.故此結(jié)構(gòu)為不規(guī)則的豎向結(jié)構(gòu)[5]。樓面采用混凝土樓板,樓板厚度100mm，恒荷載為4kN/m,活荷載為2kN/m,邊梁線荷載10kN/m,基本風(fēng)壓0.35， 構(gòu)件尺寸均符合《抗震規(guī)范》關(guān)于長(zhǎng)細(xì)比及寬厚比的限值要求，鋼材選用Q345鋼[6]，梁柱構(gòu)件如表1和表2。

圖1三維模型圖

圖2鋼框架計(jì)算模型

模型選用了四種偏心支撐形式,分別是方案A(偏心人字形支撐)，方案B (偏心八字形支撐)，方案C(偏心V字形支撐)以及方案D(單斜桿支撐)，每一獨(dú)立模型只布置一種偏心支撐形式，每一種偏心支撐的耗能段均布置1000mm，支撐的布置區(qū)間如圖2。

表1　柱梁構(gòu)件的截面表

表2　梁構(gòu)件截面表

3計(jì)算結(jié)果

3.1抗側(cè)力分析

本文先對(duì)框架頂點(diǎn)施加大小為10KN水平荷載進(jìn)行分析，得出最大位移和抗側(cè)剛度如表3。

表3　層框架的位移和抗側(cè)剛度

從表3中可以得出：人字形，v字形偏心支撐的抗側(cè)力要強(qiáng)于八字形和單斜桿字形偏心支撐，尤其是人字形偏心支撐的位移要少于單斜桿15%。

3.2模態(tài)分析

模態(tài)分析主要利用Ritz向量分析以及特征向量分析，得出各個(gè)振型及其對(duì)應(yīng)的自振周期，是振型反應(yīng)譜法的前期工作。本文選取前21個(gè)振型，運(yùn)用SAP2000可以得出自振周期如表4所示：

表4　鋼框架結(jié)構(gòu)的自振周期對(duì)比

通過上述四種方案很容易看出在耗能長(zhǎng)度一致時(shí)，鋼框架偏心支撐體系的自振周期隨樓層的增大而減小，人字形偏心支撐鋼框架整體剛度大，自振周期小，自振周期隨著結(jié)構(gòu)剛度的增大而逐漸減小。各方案的自振周期大小關(guān)系是：方案A<方案B<方案C<方案D。

3.3振型反應(yīng)普法

根據(jù)《抗震規(guī)范》8.2.212 鋼結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的阻尼在多遇地震下的計(jì)算，高度大于50m且小于200m時(shí)，可取0.03[6].采用振型反應(yīng)譜CQC法[7]，分別計(jì)算各層最大水平位移如圖2，最大層位移角如圖3，從圖中可以看出：(1)四種方案除單斜桿偏心支撐不滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2010)5.5.1條規(guī)定，即多、高層鋼結(jié)構(gòu)滿足的彈性層間位移角限值1/250[6]。說明單斜桿偏心支撐的抗側(cè)能力較差，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增大支撐截面面積以增加抗側(cè)力。(2)從圖3、4中可以看到這四種方案層最大位移在第七、八層，但單斜桿偏心支撐發(fā)生在第六層說明其控制變形能力較差。人字形偏心支撐的控制變形能力比較好，對(duì)結(jié)構(gòu)最抗震有利。其次分別是V字形偏心支撐、八字形偏心支撐、單斜桿支撐。

圖3最大層間位移角

圖4最大層位移

3.4時(shí)程分析

時(shí)程分析法是利用結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)力微分方程，通過求解來得到結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下結(jié)構(gòu)的基本響應(yīng)大小的一種方法[8]。時(shí)程分析法基于反應(yīng)譜法分析，但它是更有效的抗震計(jì)算方法，因?yàn)樗軠?zhǔn)確的反應(yīng)結(jié)構(gòu)在地震過程中的內(nèi)力與位移隨時(shí)間的的變化。通過將建筑物作為彈性或者彈塑性振動(dòng)系統(tǒng)，直接輸入地面地震加速度記錄，對(duì)運(yùn)動(dòng)方程直接積分，從而獲得計(jì)算系統(tǒng)各質(zhì)點(diǎn)的位移速度加速度等的時(shí)程變化曲線，因此這種方法更能準(zhǔn)確而完整地反映出結(jié)構(gòu)在地震作用下的全過程[9]。本文選取三條波[10]，兩條自然波形分別是El-Centro加速度時(shí)程波與TangShanSN波和一條人工LanZhou波，三條地震波如圖5，6，7。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析得出四種方案在長(zhǎng)遇地震下的彈性層間位移角如圖8,9,10。

圖5LanZhou波

圖6El-Centro波

圖7TangShanSN波

圖8El-Centro波下最大層間位移角

從圖8、9、10可以看出：(1)時(shí)程分析得出結(jié)果除人字形與八字形偏心支撐的鋼框架外均能滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的彈性層間位移角限值1/250。(2)時(shí)程分析得出最大的層間位移角比振型分解反應(yīng)譜法得出的最大層間位移角小。(3)四種支撐的抗側(cè)力大小關(guān)系是方案A>方案B>方案C>方案D。

4結(jié)束語(yǔ)

(1)由本文可知四種偏心支撐中抗側(cè)力最差的是單斜桿偏心支撐鋼框架，人字形偏心支撐鋼框架抗側(cè)力最好，其次是V字形、八字形鋼框架偏心支撐。

圖9LanZhou波下最大層間位移角

圖10TangShanSN波下最大層間位移角

(2)不規(guī)則建筑在四種不同的偏心支撐下的周期以及層間位移隨剛度的變大而逐漸減小，在耗能段長(zhǎng)度一致情況下，人字形應(yīng)作為首選的支撐，其抗震性能人字形支撐>V字形支撐>八字形支撐>單斜桿支撐。

(3)利用時(shí)程分析法得到的最大層間位移角要比振型分解反應(yīng)譜法得到的數(shù)值整體偏小。結(jié)構(gòu)在分別在三種波作用下人字形、V字形偏心支撐，均能滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的彈性層間位移角限值1/250。而八字形，單斜桿也只有很少部分不能滿足要求。說明前兩者的抗震性能優(yōu)于后兩者，實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)優(yōu)先使用。

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The Impact Analysis Of Eccentrically Brace For Irregular Buildings
Steel Frame Structure System Seismic Performance

WANG Biao1，LEI Qingguan1,2

(Anhui Jianzhu University, Hefei 230601,China;2.Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:High-rise eccentrically braced steel frame structure is a new type of structural system that developed in recent years . Under the earthquake ,the eccentrically braced steel frame girders often take the lead in the shear yield of energy consumption .It mainly use the plastic deformation to dissipate the earthquake energy, so it can reduce the stress of the other components of the structure to ensure the safety of the structure[1].In this paper, we analysis the influence on the seismic performance of eccentrically braced steel frame when their total energy consumption in the same length.and uses finite element analysis software SAP2000 to analysis the four forms ,the chevron, the V, the eight-lane, the single diagonal eccentric support.

Key words:steel frame; eccentrically braced frame ; seismic performance; the analysis of time history

作者簡(jiǎn)介：王彪(1985-)，男，研究生，主要研究方向：工程防災(zāi)減災(zāi)理論與應(yīng)用。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150604

中圖分類號(hào)：TU411.01

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8382(2015)06-016-05

收稿日期：2015-05-08

基金項(xiàng)目：安徽省高等教育振興計(jì)劃(2013zdjy23);安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(kJ2014ZD07)