鋼框架-桁架新型結(jié)構(gòu)體系抗震性能分析

鄭　宏,　馬江萍,　潘天久,　邱亞波

(西安培華學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 陜西 西安　710125)

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鋼框架-桁架新型結(jié)構(gòu)體系抗震性能分析

鄭宏,馬江萍,潘天久,邱亞波

(西安培華學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 陜西 西安710125)

摘要：為改善鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系中支撐易屈服問題，簡化鋼框架-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系中剪力墻的受力，結(jié)合鋼框架-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系中鋼板剪力墻“拉力帶”受力特性和兩側(cè)開縫鋼板剪力墻簡化模型，提出了一種新型結(jié)構(gòu)體系——鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系。對鋼框架-桁架新型結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了介紹，通過SAP2000建立了鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系模型，對這一新型結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析和線性時程分析并與鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系和純鋼框架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了對比。分析結(jié)果表明鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系有較高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度；在地震作用下，鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系與鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系具有相似的動力特性，在一定條件下利用鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系簡化和等效鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系是合理的。

關(guān)鍵詞：鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系；模態(tài)分析；反應(yīng)譜分析；線性時程分析

0引言

鋼結(jié)構(gòu)建筑具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、韌性好能夠重復(fù)利用等特點[1]，因此發(fā)達(dá)國家如美國、日本、英國等在高層建筑中普遍應(yīng)用。鋼框架的抗側(cè)剛度較小，地震和風(fēng)荷載作用下容易產(chǎn)生較大的側(cè)向變形。為了提高鋼框架的抗側(cè)剛度，各國研究者提出了鋼框架-支撐體系及鋼框架-內(nèi)填墻體系等多種結(jié)構(gòu)形式。對于常見的鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)體系，在地震作用下，支撐斜桿受壓屈服后，承載力急劇下降，在罕遇地震下對結(jié)構(gòu)極為不利，因此限制了鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)體系只能用于抗風(fēng)結(jié)構(gòu)和設(shè)防烈度較低的結(jié)構(gòu)抗震[2]。國內(nèi)外學(xué)者對鋼板剪力墻進(jìn)行了大量研究，在水平荷載作用下鋼板剪力墻中產(chǎn)生拉力帶，Kualk[3]提出了條帶模型(Strip Model)和等效層斜撐模型(Equivalent Story Brace Model)。鄭宏等[4-7]提出了鋼板深梁和鋼-混凝土組合深梁的概念，總結(jié)了鋼板剪力墻的發(fā)展規(guī)律。繆友武[8]、徐嫚等[9-10]對兩邊連接鋼板剪力墻進(jìn)行了研究。孫飛飛等[11]建立了開縫鋼板剪力墻的等效交叉模型。

圖1　鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系

本文結(jié)合兩邊連接鋼板剪力墻的簡化模型和鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系理論提出了鋼框架-桁架新型結(jié)構(gòu)體系。這一結(jié)構(gòu)體系由兩邊連接鋼板剪力墻簡化演變而來，使結(jié)構(gòu)體系的受力更加明確。文中分析了這一結(jié)構(gòu)體系的動力性能，并與鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)和純鋼框架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了對比分析。

1鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系特點

鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系是在鋼框架中內(nèi)填平行弦桁架組成，如圖1所示。平行弦桁架中弦桿和腹桿均為兩個等肢角鋼相并形成T型截面，腹桿和弦桿通過節(jié)點板連接，可視為鉸接；弦桿直接焊接于上下層框架梁，可視為兩端固結(jié)。

鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系中平行弦桁架是在框架結(jié)構(gòu)施工完成之后進(jìn)行安裝，可假定平行弦桁架不受豎向力。在水平荷載作用下，腹桿為軸向受力構(gòu)件承受軸向壓力或拉力，整個桁架作為內(nèi)填抗側(cè)力構(gòu)件能有效提高結(jié)構(gòu)體系的橫向剛度，減小側(cè)移。桁架節(jié)間數(shù)目，取決于層高和跨度。為制作方便和受力合理，應(yīng)使斜腹桿的傾角保持在45°～60°[12]。

桁架作為抗側(cè)力構(gòu)件受力更合理，且具有質(zhì)量輕、安裝或更換方便等特點。改變桁架的參數(shù)可以大范圍調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的剛度、承載力和耗能能力，使結(jié)構(gòu)滿足不同抗震要求。這一新型結(jié)構(gòu)體系可以廣泛應(yīng)用于有不同抗震性能要求的鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計、已建鋼框架結(jié)構(gòu)加固和改造。

2計算模型的建立

為分析鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，設(shè)計了兩組鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)模型，利用SAP2000有限元分析軟件進(jìn)行動力性能的分析。同時建立一組純鋼框架結(jié)構(gòu)模型、鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)模型作為對比。四組模型均為16層，層高3.6 m，建筑總高度為57.6 m。樓面活荷載取為2.0 kN/m2，屋面活荷載為0.7 kN/m2。

梁、柱為Q235焊接H型鋼，邊柱為H550×500×20×25,1～8層中柱截面H550×500×26×36,9～16層中柱截面H550×500×20×32，梁截面為H400×200×8×13，桁架腹桿為兩根∟63×8相并，桁架弦桿為兩根∟100×10相并。樓板采用120 mm厚壓型鋼板組合樓板，壓型鋼板厚1 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30。模型中外墻采用輕質(zhì)混凝土砌塊，內(nèi)墻均為輕質(zhì)隔墻。各組模型的三維立體圖如圖2所示。其中鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系I為鋼框架內(nèi)填單斜桿桁架，鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系II為鋼框架內(nèi)填X型腹桿桁架；兩者僅在腹桿形式上有差異。

四組模型所處場地條件均為8度抗震設(shè)防地區(qū)，設(shè)計地震分組為第一組，II類場地，基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2。本文模型中梁、柱、桁架均為桿單元，鋼板深梁和樓板為殼單元。

圖2　模型三維立體圖

3動力分析

3.1模態(tài)分析

通過SAP2000對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以求出結(jié)構(gòu)自振周期和頻率等性能參數(shù)。自振周期反應(yīng)了結(jié)構(gòu)的剛度情況，四組模型的自振周期對比情況如圖3所示。

由圖3可知：純鋼框架結(jié)構(gòu)體系自振周期最大，鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系自振周期次之，鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系自振周期最小。因此，通過在純鋼框架結(jié)構(gòu)體系中內(nèi)填桁架、鋼板深梁的方式可以顯著提高結(jié)構(gòu)的剛度。其中以鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系在剛度上的提高最為明顯。

結(jié)構(gòu)剛度過大，在地震作用下的受力情況也會發(fā)生變化，同時會造成材料的浪費，因此需要將結(jié)構(gòu)的剛度控制在一定范圍內(nèi)。鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系的剛度介于純鋼框架結(jié)構(gòu)體系和鋼框架-鋼板深梁體系之間，可以避免結(jié)構(gòu)“過剛”或“過柔”。同時，可以通過調(diào)整桁架在框架結(jié)構(gòu)中的寬度來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系剛度在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化。

3.2反應(yīng)譜分析

反應(yīng)譜分析方法輸出的結(jié)果為結(jié)構(gòu)每一層最大位移以及層間位移角等數(shù)據(jù)。根據(jù)四組模型的烈度、場地條件、設(shè)計地震動分組等信息得出各模型設(shè)計反應(yīng)譜地震影響系數(shù)如圖4所示。

圖3　各模型自振周期對比

圖4　地震影響系數(shù)曲線

本文反應(yīng)譜分析中，振型組合采用CQC法，即完全平方根組合法。分析得到四組模型的樓層位移曲線和層間位移曲線如圖5所示。

圖5　各模型側(cè)向位移

由圖5(a)中各模型樓層位移曲線可知：純鋼框架結(jié)構(gòu)體系的變形曲線呈現(xiàn)剪切型，鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系和鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系變形曲線在形式上與純框架結(jié)構(gòu)體系類似，也為剪切型。相較于通常情況下剪力墻結(jié)構(gòu)的彎曲型變形特性，鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系表現(xiàn)出“柔性”結(jié)構(gòu)的特點。模型的變形曲線中，在結(jié)構(gòu)中部均出現(xiàn)變形曲線“內(nèi)縮”現(xiàn)象，結(jié)合圖5(b)中層間位移角曲線，“內(nèi)縮”現(xiàn)象發(fā)生在第5層處，發(fā)生這一現(xiàn)象的原因是由于模型中柱子在第8層處發(fā)生一次變截面，8層以上柱子截面減小從而使得結(jié)構(gòu)剛度存在突變。

鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系和鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系的變形曲線形式基本一樣，只是鋼板深梁的剛度更大，使鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系的變形小于鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系。但是相差很小，鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系中的體系II與鋼框架-鋼板深梁體系相比，兩者除在首層處相差25%以外，其它各樓層的變化均小于10%。由此可知，在特定條件下可用鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系替換鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系。

3.3線性時程分析

選擇兩條適用于二類場地的地震波：Elcentro波和唐山波(南北向)，其中唐山波選用較有研究意義的20～40 s時間段內(nèi)的波形圖。在進(jìn)行時程分析時，需依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)表5.1.2-2中規(guī)定的時程分析所用地震加速度時程的最大值對輸入地震波的加速度峰值進(jìn)行調(diào)整。其中，Elcentro波調(diào)整系數(shù)為0.002，唐山波調(diào)整系數(shù)為0.013。選取模型中57.6 m高度處(即屋面層)4軸和F軸交點21號節(jié)點X向水平位移作為研究對象，各組模型在不同地震波作用下的位移時程曲線如圖6所示。

圖6　各模型時程位移曲線

由圖6可知，在相同地震波作用下，純鋼框架結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的位移時程響應(yīng)最為激烈。鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系和鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系由于桁架、鋼板深梁等內(nèi)填構(gòu)件對結(jié)構(gòu)剛度增加的貢獻(xiàn)使得這兩種體系的節(jié)點位移有大幅度減小。輸入相同地震波時，四組模型節(jié)點位移隨時間的變化關(guān)系表現(xiàn)出相似的規(guī)律；但鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系、鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系波形比純鋼框架結(jié)構(gòu)體系波形更緊密，表明剛度增大，周期變小。

在相同地震波作用下，鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系I、鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系II、鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系的位移時程曲線在前10 s基本重合；在10 s后波形曲線表現(xiàn)出差異，但差異不明顯。這說明在地震作用開始一段時間內(nèi)，鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系和鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系具有基本相同的地震響應(yīng)；地震作用一段時間后，由于兩種結(jié)構(gòu)的耗能能力方面的不同造成地震響應(yīng)的差異。鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系是由鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系演變簡化而來，而在地震作用下兩種結(jié)構(gòu)體系具有相近的地震響應(yīng)，由此說明這種演變和簡化是合理的，在一般條件下鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系與鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系具有相當(dāng)?shù)目拐鹦阅?，且抗震性能明顯優(yōu)于純鋼框架結(jié)構(gòu)體系。

4結(jié)論

(1)通過在純鋼框架結(jié)構(gòu)體系中內(nèi)填桁架、鋼板深梁的方式可以顯著提高結(jié)構(gòu)的剛度。鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系的剛度介于純鋼框架結(jié)構(gòu)體系和鋼框架-鋼板深梁體系之間，可以避免結(jié)構(gòu)“過剛”或“過柔”。同時，可以通過調(diào)整桁架在框架結(jié)構(gòu)中的寬度來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系的剛度在一定范圍內(nèi)的連續(xù)變化。鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系在地震作用下與鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系具有類似的動力特性和地震響應(yīng)。

(2)鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系和鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系變形曲線在形式上與純框架結(jié)構(gòu)體系類似，也為剪切型。相較于通常情況下剪力墻結(jié)構(gòu)的彎曲型變形特性，鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系表現(xiàn)出“柔性”結(jié)構(gòu)的特點。鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系和鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系的變形曲線形式基本一樣，在特定條件下可用鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系替換鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系。

(3)在地震作用開始一段時間內(nèi)，鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系和鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系具有基本相同的地震響應(yīng)；地震作用一段時間后，由于兩種結(jié)構(gòu)的耗能能力方面的不同造成地震響應(yīng)的差異。在一般條件下鋼框架-桁架結(jié)構(gòu)體系與鋼框架-鋼板深梁結(jié)構(gòu)體系具有相當(dāng)?shù)目拐鹦阅?，且抗震性能明顯優(yōu)于純鋼框架結(jié)構(gòu)體系。

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Seismic Performance of New Steel Frame Infilled by Truss Structure System

Zheng Hong，Ma Jiangping，Pan Tianjiu，Qiu Yabo

(Architectural and Civil Engineering Institute，Xi’an Peihua University, Xi’an 710125, China)

Abstract:A new steel frame infilled by truss structure system is presented in this paper to solve the yield of brace and simplify stress of steel plate shear wall. The new structure is presented according to tension field behavior of steel plate shear wall in steel frame-steel plate shear wall structure system and simplified modal for steel plate shear wall slotted at edge. The new steel frame infilled by truss structure system is introduced and its modal is set up through SAP2000. The modal analysis, response spectrum analysis and liner time history analysis of the new structure system are carried out, and the analysis results are compared with steel frame-steel plate deep beam structure system and steel frame structure. The analysis results indicate that: steel frame infilled by truss structure gets a greater lateral stiffness and similar dynamic characteristics to steel frame-steel plate deep beam structure. It’s reasonable to simplify and equivalent steel frame-steel plate deep beam with steel frame infilled by truss structure system under certain conditions.

Key words:steel frame infilled by truss structure system; modal analysis; response spectrum analysis; liner time history analysis

中圖分類號：TU392.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-0373(2016)01-0001-05

作者簡介：鄭宏(1964-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士。主要從事結(jié)構(gòu)工程的研究。E-mail:cehzheng@chd.edu.com

基金項目：2014年西安培華學(xué)院校級科研課題(PHKT20140719)

收稿日期：2015-01-21責(zé)任編輯:車軒玉

DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.01.01

鄭宏,馬江萍,潘天久,等.鋼框架-桁架新型結(jié)構(gòu)體系抗震性能分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2016,29(1):1-5.