預(yù)應(yīng)力巨型支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)的Pushover分析

張福星，郭君淵，王 祎，唐柏鑒

(江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

預(yù)應(yīng)力巨型支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱(chēng)PMBFS)在2009年由唐柏鑒等人［1-2］提出.該結(jié)構(gòu)將預(yù)應(yīng)力拉索引入普通鋼框架中并參與抵抗水平荷載，旨在提高鋼框架的抗側(cè)剛度，克服鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)復(fù)雜性，降低用鋼量.

文中采用Pushover分析方法，選取兩種具有代表性的水平荷載加載模式，對(duì)結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增的水平荷載，逐步將結(jié)構(gòu)推至一個(gè)預(yù)定的狀態(tài)來(lái)分析其非線性性能.

1 數(shù)值分析模型

采用一榀經(jīng)過(guò)抗風(fēng)抗震設(shè)計(jì)的15層4跨PMBFS結(jié)構(gòu)為分析模型(圖1)，每5層設(shè)置X型預(yù)應(yīng)力巨型支撐.層高為3.6 m，每跨跨度為6 m.鋼梁鋼柱采用Q345B鋼材，彈性模量為206 GPa，線膨脹系數(shù)為 1.2 ×10-5，密度為 7 850 kg/m3.預(yù)應(yīng)力拉索抗拉強(qiáng)度為1 670 MPa，彈性模量為1.95×105，線膨脹系數(shù)為 1.32 ×10-5，拉索為理想柔索，滿足胡克定律.構(gòu)件尺寸見(jiàn)表1，2.

豎向荷載:恒荷載4.5 kN·m-2，活荷載2.5 kN·m-2.

風(fēng)荷載:基本風(fēng)壓ω0=0.4 kN/m2，方向向右.

地震作用:按8度抗震設(shè)防(0.2 g)，地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為II類(lèi)場(chǎng)地.

圖1 預(yù)應(yīng)力巨型支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)(單位:mm)Fig.1 Pre-stress-mega-braced steel framestructure(unit:mm)

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表2 拉索的直徑和預(yù)拉力Table 2 Diameter and pretension of cable

2 Pushover分析

2.1 塑性鉸理論模型及選擇依據(jù)

采用SAP2000進(jìn)行靜載和推覆分析.帶塑性鉸的框架柱和框架梁?jiǎn)卧?jiǎn)化模型如圖2a)，對(duì)框架而言，梁和柱的兩端受力均比較大，梁的兩端一般設(shè)置彎矩鉸和剪力鉸(離散鉸);柱兩端塑性鉸位置處，軸力和彎矩相互作用，要考慮塑性鉸的耦合作用，一般設(shè)置PMM相關(guān)鉸.對(duì)預(yù)應(yīng)力拉索在中間設(shè)置軸力鉸(P 鉸)，塑性鉸類(lèi)型均選擇 FEMA 型［3-8］.

圖2 塑性鉸理論模型Fig.2 Theoretical model of plastic hinges

塑性鉸力學(xué)模型如圖2b)，點(diǎn)B代表鉸的屈服，AB段鉸內(nèi)沒(méi)有變形發(fā)生(鉸屈服前被假定為剛性的).當(dāng)鉸達(dá)到C點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始失去承載力，D點(diǎn)表示鉸的殘余強(qiáng)度，E點(diǎn)表示鉸完全失效［9］.

2.2 底部剪力和抗側(cè)剛度

該體系底部剪力(τ)和抗側(cè)剛度隨頂點(diǎn)位移變化(S)的曲線如圖3.

圖3 底部剪力頂點(diǎn)位移關(guān)系曲線Fig.3 Base shear and lateral stiffness curve

由圖3可知，隨著水平荷載的增加結(jié)構(gòu)逐漸由彈性狀態(tài)過(guò)渡到彈塑性狀態(tài)，底部剪力-頂點(diǎn)位移曲線由直線變化為曲線，且曲線斜率逐漸減小，最后當(dāng)水平荷載達(dá)到極限值時(shí)，結(jié)構(gòu)因出現(xiàn)大量塑性鉸而達(dá)到承載力極限狀態(tài).倒三角分布模式下結(jié)構(gòu)的極限荷載要小于均勻分布模式下結(jié)構(gòu)的極限荷載.

2.3 結(jié)構(gòu)破壞模式

2.3.1 均勻分布

如圖4，均勻分布模式下，當(dāng)水平荷載達(dá)到641.588kN時(shí)，第一大層內(nèi)的框架梁首先開(kāi)始屈服，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移為378.254mm;當(dāng)水平荷載達(dá)到784.423kN時(shí)，結(jié)構(gòu)第一大層內(nèi)的框架柱開(kāi)始出現(xiàn)塑性鉸，此時(shí)頂點(diǎn)位移為480.68mm;當(dāng)水平荷載達(dá)到極限荷載885.901kN時(shí)，結(jié)構(gòu)破壞，頂點(diǎn)位移達(dá)到563.156mm，底層拉索開(kāi)始出現(xiàn)塑性鉸.

圖4 均勻分布模式下塑性鉸出現(xiàn)過(guò)程Fig.4 Plastic hinge of PMBFS under the uniformly horizontal load

2.3.2 倒三角分布

如圖5，倒三角分布模式下，當(dāng)水平荷載達(dá)到522.11kN時(shí)，第一大層內(nèi)的框架梁首先開(kāi)始屈服，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移為411.199mm;當(dāng)水平荷載達(dá)到585.688kN時(shí)，結(jié)構(gòu)第三大層內(nèi)的框架柱開(kāi)始出現(xiàn)塑性鉸，此時(shí)頂點(diǎn)位移為468.468mm;當(dāng)水平荷載達(dá)到極限荷載791.106kN時(shí)，結(jié)構(gòu)破壞，頂點(diǎn)位移達(dá)到686.064mm，底層拉索開(kāi)始出現(xiàn)塑性鉸.

圖5 倒三角分布模式下塑性鉸出現(xiàn)過(guò)程Fig.5 Plastic hinge of PMBFS under the inverted triangular horizontal load

可見(jiàn)，在結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，均勻分布模式比倒三角分布模式出現(xiàn)破壞的樓層相對(duì)要低一點(diǎn).同時(shí)，在不同的水平加載模式下，雖然會(huì)得到不同的底部剪力-頂點(diǎn)位移曲線和不同的抗側(cè)剛度以及水平極限荷載，但是得到的結(jié)構(gòu)破壞模式基本相同.

2.4 抗震性能評(píng)估

多遇地震下結(jié)構(gòu)體系的阻尼比取0.03，罕遇地震下阻尼比取0.05.

2.4.1 8度多遇地震

由圖6可知，8度多遇地震下，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)塑性鉸，此時(shí)結(jié)構(gòu)的底部剪力為117.936 kN，對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)位移為67.518mm.

8度多遇地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)體系的層間位移角如圖7，可見(jiàn)，層間位移角小于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2011)規(guī)定的限值1/250.

圖6 兩種水平荷載模式下8度多遇地震時(shí)的結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)Fig.6 Structural performance point of 8 degrees multiple case earthquake under two kinds of horizontal loads

圖7 8度多遇地震作用時(shí)的層間位移角Fig.7 Story drift angle of 8 degrees multiple case earthquake

2.4.2 8度罕遇地震

由圖8可知，兩種加載模式下，經(jīng)過(guò)抗風(fēng)抗震設(shè)計(jì)的PMBFS結(jié)構(gòu)體系，其底層框架梁都開(kāi)始進(jìn)入彈塑性狀態(tài).

圖8 兩種水平荷載模式下8度罕遇地震時(shí)的結(jié)構(gòu)性能Fig.8 Structural performance of 8 degrees rare case earthquake under two kinds of horizontal loads

8度罕遇地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)體系的層間位移角如圖9，可見(jiàn)層間位移角小于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2011)規(guī)定限值1/50.

圖9 8度罕遇地震作用時(shí)的層間位移角Fig.9 Story drift angle of 8 degrees rare case earthquake

3 結(jié)論

1)結(jié)構(gòu)在均布模式下的極限荷載比倒三角模式下的大.

2)兩種水平荷載模式下，結(jié)構(gòu)破壞模式相似，首先是下部樓層梁屈服，當(dāng)較多水平梁屈服后柱出現(xiàn)屈服，極限狀態(tài)時(shí)拉索才會(huì)出現(xiàn)屈服.

3)經(jīng)過(guò)抗風(fēng)抗震彈性設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力巨型支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)，彈塑性抗震性能滿足規(guī)范要求.

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