低屈服點(diǎn)中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)基于目標(biāo)性能4和性能3下的抗震設(shè)計(jì)*

郭軍忠 丁琪

(江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院 江蘇常州 213147)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)，玉樹(shù)、汶川以及雅安地震帶給我們深切傷痛的同時(shí)也引發(fā)了人們的思考，造成這一系列災(zāi)害主要來(lái)源于震后建筑物的損毀和倒塌。所以，研究穩(wěn)定、可靠的抗震結(jié)構(gòu)體系以及搭建完善的抗震設(shè)計(jì)理論和方法是廣大地震工程學(xué)者共同面對(duì)的一道難題[1]。

目前，對(duì)于中心支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)的研究已比較成熟，但是大多集中在構(gòu)件層次上，對(duì)該體系的設(shè)計(jì)方法尚處于探索階段，這就嚴(yán)重阻礙了中心支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。隨著建筑物抗震等級(jí)要求的越來(lái)越高，地震工程學(xué)者提出了一種基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法。所以，該設(shè)計(jì)方法將有效推廣中心支撐抗側(cè)力體系的運(yùn)用與實(shí)踐。

基于性能的抗震設(shè)計(jì)是指在各級(jí)地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)的破壞程度是可以預(yù)見(jiàn)的，是在預(yù)期的要求之內(nèi)的，不僅僅是滿足我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]上要求的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準(zhǔn)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，這是最基本的目標(biāo)，是為了保障人的生命安全為底線。同時(shí)，性能化設(shè)計(jì)也要達(dá)到經(jīng)濟(jì)損失最小的目的[3]。其本質(zhì)是通過(guò)控制結(jié)構(gòu)變形和破壞形態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行預(yù)期的設(shè)計(jì)，這就要求工程學(xué)者提前確定設(shè)防水準(zhǔn)、性能水準(zhǔn)及性能目標(biāo)。

將采用SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)算例進(jìn)行Pushover分析，支撐定義軸力鉸(P鉸)，框架梁和柱兩端分別定義彎矩鉸(M鉸)和壓彎相關(guān)鉸(PMM鉸)，水平加載模式選用均勻分布及倒三角分布模式。

為驗(yàn)算低屈服點(diǎn)中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)在兩種性能目標(biāo)下的準(zhǔn)確性，對(duì)不同性能目標(biāo)下3種設(shè)防目標(biāo)的層間位移角進(jìn)行試算，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大層間位移角略大于或者接近所量化的各個(gè)限值要求，然后查看此時(shí)結(jié)構(gòu)是否符合前面所量化的指標(biāo)，若符合，則代表所量化的性能指標(biāo)滿足要求，可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，若不滿足，則需要重新對(duì)結(jié)構(gòu)的各個(gè)性能目標(biāo)進(jìn)行分析，直到所量化的指標(biāo)滿足既定要求。低屈服點(diǎn)中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)在性能目標(biāo)3和性能目標(biāo)4下的量化指標(biāo)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能水平量化指標(biāo)限值

1 工程概況

本工程是由橫向3跨和縱向7跨的鋼框架結(jié)構(gòu)組成。其中，帶中心支撐跨和非中心支撐跨均為7.2 m，層高3.6 m，共10層，共計(jì)36 m，結(jié)構(gòu)平面示意圖如圖1所示，選取軸線2出一榀框架進(jìn)行分析，其立面示意圖如圖2所示?？拐鹪O(shè)防烈度為8度(0.30 g)，Ⅱ類場(chǎng)地土，第一組；樓面與屋面均采用120 mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，樓面恒載(包含自重)4.15 kN/m2，活載取為2.0 kN/m2；屋面恒載(含板自重)5.1 kN/m2，活載為2.0 kN/m2；標(biāo)準(zhǔn)層外墻荷載為17 kN/m；屋面女兒墻荷載為4.1 kN/m；樓板混凝土等級(jí)為C30；鋼框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處采用栓焊式的剛性連接方式，鋼框架梁和柱都采用高強(qiáng)度的Q345B鋼，而中心支撐處采用低強(qiáng)度的LYP100鋼，其設(shè)計(jì)理念就是為了保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的“強(qiáng)框架，弱支撐”。

圖1 擬建建筑物結(jié)構(gòu)平面(單位：mm)

圖2 軸線2處一榀三跨橫向框架(單位：mm)

2 目標(biāo)性能4的指標(biāo)量化驗(yàn)證分析

將性能目標(biāo)4下對(duì)應(yīng)的3種設(shè)防目標(biāo)限值分別作為低屈服點(diǎn)中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的預(yù)定性能目標(biāo)，其限值要求分別為：多遇地震下的1/450，設(shè)防地震下的1/150以及罕遇地震下的1/53。分析結(jié)果如下：多遇地震下的層間位移角如圖3(a)所示，設(shè)防地震下的層間位移角如圖3(b)所示，罕遇地震下的層間位移角如圖3(c)所示。

(a)多遇地震

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)在性能目標(biāo)4下的pushover分析得出倒三角分布下結(jié)構(gòu)塑性鉸如下：多遇地震下，4層受壓支撐出現(xiàn)塑性鉸；設(shè)防地震下，絕大多數(shù)受壓支撐出現(xiàn)塑性鉸，部分受拉支撐也出現(xiàn)塑性鉸；罕遇地震下，除支撐大面積出現(xiàn)塑性鉸外，框架梁也出現(xiàn)了塑性鉸，框架柱保持完好。均勻分布下結(jié)構(gòu)塑性鉸如下：在多遇地震下，1到4層受壓支撐出現(xiàn)塑性鉸；設(shè)防地震下，除受壓支撐出現(xiàn)塑性鉸，受拉支撐1～5層也出現(xiàn)塑性鉸；罕遇地震下，除支撐大面積出鉸，同樣框架梁1～6層大面積出鉸。

3 目標(biāo)性能3的指標(biāo)量化驗(yàn)證分析

將性能目標(biāo)3下對(duì)應(yīng)的3種設(shè)防目標(biāo)限值分別作為低屈服點(diǎn)中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的預(yù)定性能目標(biāo)，其限值要求分別為：多遇地震下的1/650，設(shè)防地震下的1/270以及罕遇地震下的1/130。分析結(jié)果如下：多遇地震下的層間位移角如圖4(a)所示，設(shè)防地震下的層間位移角如圖4(b)所示，罕遇地震下的層間位移角如圖4(c)所示。

(a)多遇地震

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)在性能目標(biāo)3下的pushover分析得出倒三角分布下結(jié)構(gòu)塑性鉸如下：多遇地震下，4層受壓支撐出現(xiàn)塑性鉸；設(shè)防地震下，絕大多數(shù)受壓支撐出現(xiàn)塑性鉸，1～4層受拉支撐也出現(xiàn)塑性鉸；罕遇地震下，支撐大面積出現(xiàn)塑性鉸外，框架梁和框架柱保持完好，沒(méi)有出現(xiàn)塑性鉸。均勻分布下結(jié)構(gòu)塑性鉸如下：在多遇地震下，2層受壓支撐出現(xiàn)塑性鉸；設(shè)防地震下，除受壓支撐出現(xiàn)塑性鉸，受拉支撐1～5層也出現(xiàn)塑性鉸；罕遇地震下，支撐大面積出鉸，但是框架梁和柱保持完好。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比低屈服點(diǎn)中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)分別在性能目標(biāo)3和性能目標(biāo)4下的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，分別從結(jié)構(gòu)的層間位移角以及結(jié)構(gòu)在均布荷載、倒三角荷載作用的出鉸情況，得出以下結(jié)論。

(1)在多遇地震下：在性能目標(biāo)4下，個(gè)別受壓支撐出現(xiàn)塑性鉸，外框架完好，結(jié)構(gòu)基本保持彈性狀態(tài)。在性能目標(biāo)3下，2層受壓支撐出現(xiàn)了塑性鉸，其他支撐均未出現(xiàn)塑性鉸，外框架完好，結(jié)構(gòu)保持彈性狀態(tài)。

(2)在設(shè)防地震下：在性能目標(biāo)4下，無(wú)論是均布荷載還是倒三角荷載作用下，大部分支撐出現(xiàn)塑性鉸，而框架梁和柱保持完好，低屈服點(diǎn)支撐可繼續(xù)承擔(dān)相應(yīng)荷載。在性能目標(biāo)3下：受壓支撐大面積出現(xiàn)塑性鉸，而1到3層部分受拉支撐出現(xiàn)少量塑性鉸，但相較于性能4支撐部分富余度更大，同時(shí)，外框架梁和柱保持完好，依舊沒(méi)有出現(xiàn)塑性鉸，低屈服點(diǎn)中心支撐可繼續(xù)承受荷載。

(3)在罕遇地震下：性能目標(biāo)4下，由于地震等級(jí)的提升，除低屈服點(diǎn)中心支撐出鉸，框架結(jié)構(gòu)的梁也在大面積出鉸，但是框架柱保持完好，除支撐達(dá)到極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)框架梁和柱仍可承受部分荷載。性能目標(biāo)3下，罕遇地震下絕大多數(shù)受壓支撐已變?yōu)榧t鉸，已達(dá)到極限狀態(tài)，雖然大部分手拉支撐也出鉸了，但仍可承擔(dān)部分荷載，同時(shí)，結(jié)構(gòu)的框架梁和柱保持完好，沒(méi)有出現(xiàn)塑性鉸，并且在兩種性能目標(biāo)下結(jié)構(gòu)的實(shí)際最大層間位移角均接近性能目標(biāo)4下的3個(gè)量化指標(biāo)，結(jié)構(gòu)仍有很大富裕度，可繼續(xù)承受荷載，滿足兩種性能目標(biāo)下對(duì)應(yīng)的3種設(shè)防目標(biāo)限值要求。

(4)性能3的安全等級(jí)比性能4提高了一級(jí)，故設(shè)計(jì)的梁柱截面尺寸也稍微大于性能4所設(shè)計(jì)的，對(duì)比兩者看出，性能3的耗能性能較性能4不是很明顯，但從整體分析可以看出，低屈服點(diǎn)中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)在兩種性能目標(biāo)下都發(fā)揮了很大的作用，證明所設(shè)計(jì)的低屈服點(diǎn)中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。