帶型鋼實腹梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析

楊維英

福州市建筑設計院

正文：

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)的形式日趨新穎，基于抗震性能設計必然是發(fā)展趨勢[1-4]?；谛阅艿慕Y(jié)構(gòu)抗震設計能針對不同的抗震設防要求采取不同的抗震措施。鋼——混凝土組合結(jié)構(gòu)是一種新型結(jié)構(gòu)，它揚長避短，能充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的材料特性，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)用鋼量少、剛度大、施工周期短、穩(wěn)定性和整體性表現(xiàn)更強、抗火性和耐久性得到提高等。因此通過組合概念則可以鋼材和混凝土的材料特性發(fā)揮到極致，形成一系列新穎、高效的結(jié)構(gòu)體系。其在土木工程中得到廣泛運用，例如我國的北京四川大廈、江西銅礦貯礦倉、四川旺蒼東河大橋和美國的西雅圖雙聯(lián)廣場大廈等建筑，都全部或部分采用了組合結(jié)構(gòu)。

本文主要對帶型鋼轉(zhuǎn)換的框架-核心筒結(jié)構(gòu)進行靜力彈塑性分析，了解該結(jié)構(gòu)的抗震性能，可以對該結(jié)構(gòu)體系在多遇地震下彈性設計進行校核，又能確定該結(jié)構(gòu)體系在罕遇地震作用下的破壞機制，找出其相應的薄弱環(huán)節(jié)，從而對薄弱環(huán)節(jié)進行加強，使整個結(jié)構(gòu)達到預期的效果；同時也可為以后的設計和進一步研究作參考。

2 工程概況

本工程為某高層辦公寫字樓，結(jié)構(gòu)設計使用年限為50年，抗震設防烈度為6度，丙類，設計地震分組為第一組，地震基本加速度為0.05g，建筑場地類別為Ⅱ類，基本風壓為0.45kN/m2，地面粗糙度類別為C類。采用鋼筋混凝土框架——核心筒結(jié)構(gòu)體系，外框架平面尺寸為38.3m×23.3m，中央核心筒平面尺寸8.0m×8.0m，除去屋頂?shù)膬蓪訖C房地上共22層，建筑高度為86m。為了滿足建筑使用功能，在第三層設置轉(zhuǎn)換層，第一層、第二層和轉(zhuǎn)換層層高為5m，如圖2所示。本工程型鋼混凝土中的型鋼采用較常用的實腹式寬翼緣的H形軋制型鋼，其構(gòu)造圖如圖1所示。

圖1 H形型鋼混凝土托柱梁的構(gòu)造

圖2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面布置圖

本工程轉(zhuǎn)換梁的截面高度為2000×500mm，當采用普通梁式轉(zhuǎn)換時，轉(zhuǎn)換層上、下層剛度突變而形成薄弱層。根據(jù)文獻[4]選擇合適的帶型鋼的實腹梁截面尺寸，如表1和表2所示。

表1 轉(zhuǎn)換梁截面尺寸

表2 轉(zhuǎn)換梁的含鋼率、配筋率、體積配箍率

3 整體結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析

采用前文得到合理剛度比應用于此實際工程，整體結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。Midas模型是根據(jù)PKPM結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換過來的，其結(jié)構(gòu)平面布置、各構(gòu)件截面、荷載及相關參數(shù)的設定同PKPM結(jié)構(gòu)模型。為確保計算模型的正確性，對兩個模型的靜力計算做了簡單的誤差對比分析見表3。

從表3可知，質(zhì)量誤差不超過2%，在工程誤差允許的5%范圍之內(nèi)，說明PKPM模型轉(zhuǎn)Midas模型荷載較為準確。Midas-Building中提供了兩種POA分析方法，一種是基于荷載增量的荷載控制法，另一種是基于目標位移的位移控制法。本文進行靜力彈塑性Push-over分析采用的是位移控制法，即基于性能的抗震設計，一般先通過靜力分析確定發(fā)生最大位移的節(jié)點及該位移發(fā)生的方向，給定該節(jié)點設計控制位移的方法。該結(jié)構(gòu)在X、Y向發(fā)生最大位移的節(jié)點都是在頂層角點位置，如圖3所示位置，這兩點分別控制結(jié)構(gòu)X、Y方向的最大位移，控制位移設定為0.86m（即結(jié)構(gòu)高度的1/100），然后逐漸增加荷載直到達到控制位移，以此來分析評估結(jié)構(gòu)的綜合性能。

圖3 Madis模型

3.1 確定結(jié)構(gòu)的性能點

通過Midas軟件對結(jié)構(gòu)進行靜力彈塑性分析，其中X向的剛度大于Y向的剛度，圖4為結(jié)構(gòu)在X、Y方向的能力譜——需求譜曲線關系。圖中曲線依次表示結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下阻尼比為5%、10%、15%、20%時的需求譜曲線，當結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到屈服時，結(jié)構(gòu)的阻尼不斷增大，同時結(jié)構(gòu)的剛度也會變化并影響下一步計算環(huán)節(jié)，依次循環(huán)而達到預定目標位移，從而驗證結(jié)構(gòu)是否滿足抗震要求[5]。圖4中藍線與綠線的交點表示結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性能控制點。

圖4 能力譜-需求譜曲線

從圖4中可以看出，結(jié)構(gòu)在兩個方向都有交點，驗證了結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)“大震不倒”的性能目標。該曲線比較光滑、變化比較均勻，隨著位移的慢慢增大，結(jié)構(gòu)的剛度連續(xù)退化、屈服、破壞，最后曲線出現(xiàn)了下降段。表4給出了結(jié)構(gòu)在兩個方向的性能控制點參數(shù)。

表4 性能控制點主要參數(shù)

3.2 位移角

從圖5和6中可以看出，結(jié)構(gòu)兩個方向最大層間位移角分別為1/239（出現(xiàn)在第14層）和1/420（出現(xiàn)在第4層），滿足規(guī)范要求；最大層間位移分別為0.01592m和0.00904m，分別出現(xiàn)在第14和4層，分別為建筑結(jié)構(gòu)高度的1/5402和1/9513，位移與結(jié)構(gòu)總高度的比值遠小于2%，滿足抗震性能要求。

圖5 靜力彈塑性層間位移角曲線

圖6 靜力彈塑性層間位移曲線

圖7靜力彈塑性層剪力移曲線

3.3 基底剪力-頂層控制點位移關系曲線

圖8 給出了結(jié)構(gòu)基底剪力與控制點位移的關系曲線，可以得到， X向，控制點位移=200.7mm時，結(jié)構(gòu)開始屈服，基底剪力N=45447kN，位移Δ=573.3mm時，曲線出現(xiàn)下降段，結(jié)構(gòu)開始破壞，基底剪力N=87888kN； Y向，控制點位移=114.7mm時，結(jié)構(gòu)開始屈服，基底剪力N=51110kN，位移Δ=573.3mm時，曲線出現(xiàn)下降段，結(jié)構(gòu)開始破壞，基底剪力N=81212kN。X、Y向的強屈比分別是1.934、1.589，說明帶型鋼轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)擁有較高的強度儲備。

圖8 帶型鋼轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)基底剪力-頂層控制點位移關系曲線

3.4 結(jié)構(gòu)出鉸機制

圖9 -10分別給出了整體結(jié)構(gòu)的最終出鉸圖。其彈塑性發(fā)展過程為：核心筒部位的連梁兩端和轉(zhuǎn)換梁兩端首先出現(xiàn)塑性鉸，隨著水平推力的逐步增大，框支柱也出現(xiàn)了塑性鉸，框架梁和轉(zhuǎn)換梁兩端也不斷有塑性鉸出現(xiàn)，參與結(jié)構(gòu)耗能。

圖9 X向工況整體結(jié)構(gòu)最終出鉸圖

圖10 Y向工況整體結(jié)構(gòu)最終出鉸圖

4 結(jié)論

本章主要是通過對實際工程進行了采用帶型鋼轉(zhuǎn)換高層進行靜力彈塑性分析，了解其在罕遇地震作用下的抗震性能。用Madis Gen對帶轉(zhuǎn)換層的框架-核心筒結(jié)構(gòu)進行靜力彈塑性分析，簡單介紹了計算模型的建立過程；通過數(shù)據(jù)分析，從結(jié)構(gòu)大震作用下性能控制點的確定、層間位移角、層剪力、各構(gòu)件塑性鉸的發(fā)展情況等方面評估了其抗震性能。分析結(jié)果顯示，整體結(jié)構(gòu)首先在剪力墻連梁兩端出現(xiàn)塑性鉸，隨著水平推力的繼續(xù)增大，框架梁也開始屈服，參與結(jié)構(gòu)耗能，帶型鋼轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的框架-核心筒結(jié)構(gòu)能夠很好的抵抗大震，框架能夠很好的作為第二道抗震防線。