交錯桁架結(jié)構(gòu)抗震性能分析及在高烈度區(qū)的應(yīng)用研究

徐繼東，王平山，安東亞

(華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200011)

交錯桁架結(jié)構(gòu)體系平面布置規(guī)則對稱，結(jié)構(gòu)各層的抗側(cè)力剛度中心與水平作用合力中心接近重合，建筑的開間、進深統(tǒng)一。立面上，在頂層常采用空腹桁架支撐屋面結(jié)構(gòu)，在底層，桁架可落地，如果想獲得無柱空間，可在二層設(shè)吊桿支撐樓面。結(jié)構(gòu)豎向剛度和承載力均勻，具有良好的整體性。交錯桁架結(jié)構(gòu)體系是一種比較理想的結(jié)構(gòu)體系，符合高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原則，平面上可通過多個模塊組合的方式布置成L形、T形和十字形平面。交錯桁架體系在結(jié)構(gòu)上具有以下特點：(1)在豎向荷載和側(cè)向荷載作用下，柱彎矩很小，以受軸力為主。柱的強軸一般布置在結(jié)構(gòu)縱向，有利于抵抗縱向水平力；(2)結(jié)構(gòu)橫向的抗側(cè)剛度大，結(jié)構(gòu)在小震作用下的層間位移角很??；縱向在不設(shè)置支撐的情況下剛度相對較弱，受力特性與普通鋼結(jié)構(gòu)框架類似；(3)建筑功能方面可以提供較大的開間寬度，且在該開間內(nèi)為無柱空間；(4)整個結(jié)構(gòu)體系大多數(shù)構(gòu)件承受軸力，彎矩小，可以發(fā)揮高強鋼的作用，降低用鋼量；(5)桁架制作簡單，可縮短施工周期；(6)基礎(chǔ)處理相對簡單，可采用柱下獨立基礎(chǔ)或者條形基礎(chǔ)；(7)相同條件下，交錯桁架結(jié)構(gòu)體系用鋼量比鋼框架節(jié)省，結(jié)構(gòu)高度越高，其經(jīng)濟效益越明顯。

國內(nèi)外研究成果[1-9]表明：交錯桁架結(jié)構(gòu)在低烈度區(qū)應(yīng)用有比較理想的效果，但是在高烈度區(qū)應(yīng)用時會表現(xiàn)出抗震性能不足的問題。主要體現(xiàn)在：交錯桁架結(jié)構(gòu)縱向的剛度不足，破壞模式與框架結(jié)構(gòu)一致；橫向剛度較大，但是延性較差，桿件破壞呈現(xiàn)出“一致性”，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的能力曲線呈波動上升的趨勢。因此，針對以上問題需要對交錯桁架結(jié)構(gòu)進行改進以更好地滿足高烈度區(qū)的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)縱向類似于框架結(jié)構(gòu)，可采用框架結(jié)構(gòu)的加強方式。橫向體現(xiàn)了交錯桁架結(jié)構(gòu)的特點，破壞的方式相對比較復(fù)雜，不確定性明顯。因此，本文重點對橫向(桁架方向)進行分析和研究。

1 傳統(tǒng)交錯桁架結(jié)構(gòu)Push-over分析

1.1 結(jié)構(gòu)概況

分析算例的結(jié)構(gòu)平面尺寸為40 m×15 m，層高3.3 m，樓層數(shù)量10層。構(gòu)件截面尺寸如表1所示。樓板為120 mm。所有鋼材型號為Q345B，結(jié)構(gòu)布置圖如圖1所示。設(shè)計條件如下：恒載取5.5 kN/m2；活載取2.5 kN/m2；風荷載取0.5 kN/m，地面粗糙度為B類。抗震設(shè)防烈度8度(0.2g)，Ш類場地土(Tg=0.45 s)。

表1 構(gòu)件尺寸材料表

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖

1.2 Push-over分析計算結(jié)果

1.2.1 Push-over能力譜與需求譜曲線

Push-over分析采用基本振型加載方式進行推覆，結(jié)構(gòu)推覆分析得到的Sa-Sd曲線如圖2所示，其中需求譜曲線為8度(2組)III類場地土，Tg=0.60 s(大震時增加0.05 s)罕遇地震對應(yīng)的曲線，兩者交點Sa=0.354 5，Sd=207.4 mm。

圖2 結(jié)構(gòu)Push-over能力曲線

從圖2可以看出：結(jié)構(gòu)橫向的能力曲線呈鋸齒狀，原因是桁架腹桿局部出現(xiàn)退化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力急劇下降，隨著變形的加大內(nèi)力重分布又開始重新上升，隨著腹桿的屈服又出現(xiàn)下降、上升，但結(jié)構(gòu)的承載力會一直保持在一個水平。整個過程中結(jié)構(gòu)的整體剛度持續(xù)降低，不利于結(jié)構(gòu)的抗震和防倒塌。

1.2.2 塑性鉸開展

Push-over推覆的最大位移為227 mm，推覆步驟分為100步，位移增加幅值為2.27 mm，提取推覆步驟中的S30(層間位移角1/200)、S60(層間位移角1/100)、S100(層間位移角1/50)步驟的軸力鉸和彎曲鉸開展情況，如圖3所示。

圖3 Push-over分析結(jié)構(gòu)塑性鉸分布(注：圖中虛線范圍內(nèi)鉸為失效部分)

通過圖3可以看出：①結(jié)構(gòu)整體首先從桁架跨中位置的腹桿開始屈服，如圖3中虛線范圍所示，然后向外側(cè)擴展，軸力鉸出現(xiàn)早于彎曲鉸；②結(jié)構(gòu)損傷嚴重區(qū)域為2～5層的桁架腹桿，梁和柱的破壞相對出現(xiàn)較晚，主要原因是腹桿退出工作后結(jié)構(gòu)變成空腹桁架，結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力重分配導(dǎo)致柱和桁架弦桿(梁)出現(xiàn)彎曲鉸；③結(jié)構(gòu)上部(5層以上)基本保持彈性狀態(tài)。

1.2.3 Push-over分析位移角

在Push-over分析的所有步驟中，每10個分析步提取一次結(jié)構(gòu)的層間位移角，觀察結(jié)構(gòu)的變形分布情況，并與1/250/、1/100和1/50位移角限值進行對比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 Push-over分析層間位移角曲線

從圖4層間位移角曲線可以看出：隨著結(jié)構(gòu)推覆位移的加大，結(jié)構(gòu)的變形由均勻分布向局部集中變化，說明結(jié)構(gòu)的桁架腹桿退出工作后，結(jié)構(gòu)的這些位置剛度急劇下降，形成一個薄弱區(qū)域，并最終在該區(qū)域發(fā)生較大的變形。而在結(jié)構(gòu)的上部位置則層間變形量很小，基本保持彈性狀態(tài)。進一步反映出該結(jié)構(gòu)體系的破壞形式和抗震設(shè)防的關(guān)鍵位置集中在2～5層。

2 交錯桁架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計優(yōu)化

2.1 優(yōu)化方案

根據(jù)Push-over分析的結(jié)構(gòu)破壞情況，將2～6層部分斜腹桿由普通支撐替換為屈曲約束支撐(BRB)。采用屈曲約束支撐的優(yōu)點主要有：(1)剛度可以按照設(shè)計的需求取值，不必像普通支撐滿足剛度的同時還要考慮強度要求，普通支撐設(shè)計時截面大小往往由強度(承載力)控制，設(shè)計有時需要加大截面導(dǎo)致支撐的實際剛度偏大，增加結(jié)構(gòu)的地震力；(2)屈曲約束支撐的力學性能更佳，屈曲約束支撐的承載力不會突然降低甚至破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度急劇下降，避免了結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

屈曲約束支撐布置方案如表2所示，根據(jù)屈曲約束支撐的參數(shù)取值按照小震等效設(shè)計，初始剛度：1～2層K0=360 kN/mm，3～4層K0=300 kN/mm，5～6層K0=250 kN/mm。屈曲約束支撐屈服力：1～2層Qy=1 500 kN，3～4層取Qy=1 250 kN，5～6層取Qy=1 000 kN。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案(注：圖中○表示奇數(shù)樓層布置；△表示偶數(shù)層布置；1/2/3和A/B/C表示設(shè)置位置。)

表2 屈曲約束支撐布置方案表

2.2 計算結(jié)果及分析

2.2.1 Push-over結(jié)果

通過對表2方案S1～S4的計算分析得到各個方案的能力曲線如圖6所示。其中S3方案的塑性鉸如圖7所示。

圖6 各方案的能力譜曲線

圖7 方案S3塑性鉸分布(注：虛線框內(nèi)鉸為失效部分)

2.2.2 結(jié)果分析

通過設(shè)置屈曲約束支撐構(gòu)件，與原結(jié)構(gòu)方案S0結(jié)構(gòu)的整體性能有明顯改善，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)結(jié)構(gòu)的能力曲線由鋸齒狀變得相對平滑，變形過程中沒有明顯地下降，保持穩(wěn)定上升趨勢；

(2)結(jié)構(gòu)的塑性鉸沒有出現(xiàn)大量的破壞鉸，塑性鉸的分布由底部向結(jié)構(gòu)上部轉(zhuǎn)移；

(3)屈曲約束支撐的剛度保持與普通腹桿相同的情況下，適當減小屈服承載力對提高結(jié)構(gòu)的延性更有利。

3 結(jié)論

(1)普通的交錯桁架結(jié)構(gòu)的腹桿是結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線，在水平力作用下，腹桿從中間位置向兩側(cè)逐漸進入屈服，腹桿退出工作后，結(jié)構(gòu)變?yōu)榭崭硅旒?，結(jié)構(gòu)的豎桿和弦桿開始逐步屈服破壞，因此桁架的腹桿決定了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

(2)普通交錯桁架結(jié)構(gòu)的變形集中在底部，上部樓層基本可以保持彈性狀態(tài)，因此改善底部樓層的變形能力和承載力是提高其抗震性能的關(guān)鍵措施。

(3)普通交錯桁架結(jié)構(gòu)比較適用于較低烈度區(qū)的應(yīng)用，高烈度區(qū)應(yīng)用時應(yīng)對局部進行改善采用延性更好的構(gòu)件。

(4)通過采用屈曲約束支撐代替關(guān)鍵部位的桁架腹桿可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴重破壞甚至倒塌，使材料性能得到更充分的發(fā)揮。