裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震性能研究

張景煜，符琳銳，吳良音

（中建二局第二建筑工程有限公司，廣東 深圳 518000）

我國地處環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶兩條主要地震帶之間，因此地震頻率高、強(qiáng)度大，所以建筑物的抗震性能優(yōu)劣對(duì)使用者來說尤為重要。裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系在我國的發(fā)展歷程較短，國內(nèi)專家、學(xué)者對(duì)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系研究工作的起步也比較晚。通過對(duì)美國EI 工程索引數(shù)據(jù)庫、中國知網(wǎng)等進(jìn)行檢索查閱發(fā)現(xiàn)，鮮有關(guān)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震性能的相關(guān)文獻(xiàn)。吳函恒等研究分析了鋼框架-預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻板裝配式結(jié)構(gòu)體系（SPW 體系）基于抗震性能的設(shè)計(jì)方法[1]；程蓓等針對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中的梁柱節(jié)點(diǎn)提出了一種新型銜接模式，并研究分析了這種新型節(jié)點(diǎn)的滯回曲線、骨架曲線、延性、耗能能力等受力機(jī)理和抗震性能[2]；吳從曉等提出了由預(yù)制裝配式混凝土框架與扇形鉛黏彈性阻尼器組合而成的一種新型預(yù)制裝配式消能減震混凝土框架結(jié)構(gòu)體系[3]；張錫治等對(duì)5 根高強(qiáng)混凝土裝配式管柱在0.15 軸壓比作用下開展了一系列擬靜力試驗(yàn)，研究分析了高強(qiáng)混凝土裝配式鋼管樁的配筋形式、預(yù)應(yīng)力度對(duì)其抗震性能的影響[4]；汪青杰等研究一種新型鋼管混凝土柱與型鋼梁裝配式節(jié)點(diǎn)的抗震性能[5]。以上文獻(xiàn)針對(duì)裝配式建筑抗震性能進(jìn)行了多種方向的研究，但均未對(duì)裝配式建筑的鋼結(jié)構(gòu)主體框架進(jìn)行抗震研究，因此，本文采用有限元軟件ANSYS 對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能進(jìn)行研究擬彌補(bǔ)該項(xiàng)空缺。

1 建筑結(jié)構(gòu)抗震理論分析

我國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)按照“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求開展設(shè)計(jì)工作，以同時(shí)達(dá)到多層次的抗震需求。在達(dá)到第一水準(zhǔn)時(shí)，結(jié)構(gòu)尚處于彈性狀態(tài)下的受力階段，房屋還處在正常使用狀態(tài)，抗震設(shè)計(jì)計(jì)算可采用彈性反應(yīng)譜理論進(jìn)行彈性分析；在達(dá)到第二水準(zhǔn)時(shí)，結(jié)構(gòu)進(jìn)入了非彈性工作階段，抗震設(shè)計(jì)要求這時(shí)的結(jié)構(gòu)體系損壞或非彈性變形應(yīng)控制在可修復(fù)的范圍內(nèi)；在達(dá)到第三水準(zhǔn)時(shí)，結(jié)構(gòu)體系將出現(xiàn)較大的非彈性變形，但要求變形控制在房屋免于倒塌的范圍內(nèi)。在這樣的抗震設(shè)防指標(biāo)要求下，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求需要通過地震作用的取值和抗震措施的采取來實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)時(shí)需要針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)使用功能的重要程度，按建筑結(jié)構(gòu)所處地震烈度區(qū)域的不同，依據(jù)不同的抗震設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析方法一般可又分為底部剪力法、反應(yīng)譜法與時(shí)程分析法。

1.1 底部剪力法

工作原理為：先計(jì)算出作用于建筑結(jié)構(gòu)整體的總水平地震作用，即建筑結(jié)構(gòu)底部的剪力；然后將總地震作用按照適宜的規(guī)律分配到建筑結(jié)構(gòu)的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)上，再求得各質(zhì)點(diǎn)的水平地震作用；最后按照結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算方法求出建筑結(jié)構(gòu)各層的地震剪力及位移。

一般情況下，當(dāng)滿足下列條件時(shí)可采用底部剪力法[6]：①高度不超過40m、以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu)；②可近似于單質(zhì)點(diǎn)體系的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)采用底部剪力法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)的各樓層可簡化成一個(gè)自由度，結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的標(biāo)準(zhǔn)值為[7]

式中FEK——結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；

α1——相應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本自振周期的水平地震影響系數(shù)；

GEK——結(jié)構(gòu)等效總重力荷載，單質(zhì)點(diǎn)應(yīng)取總重力荷載代表值，多質(zhì)點(diǎn)可取總荷載代表值的85%；

Fi——質(zhì)點(diǎn)i的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；

Gi、Gj——分別集中于質(zhì)點(diǎn)i、j的重力荷載代表值；

Hi、Hj——分別為質(zhì)點(diǎn)i、j的計(jì)算高度；

δn——頂部附加地震作用系數(shù)；

ΔΦn——頂部附加水平地震作用。

1.2 反應(yīng)譜法

水平地震作用指的是發(fā)生地震時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)受到的水平方向的最大慣性力，即

在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，建筑物的阻尼力很小。另外，慣性力最大時(shí)的加速度最大而速度最小，為簡化計(jì)算，最大慣性力為

式中Sa——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度最大絕對(duì)值，即

地震反應(yīng)譜是指單自由度體系最大地震反應(yīng)與體系自振周期T之間的關(guān)系曲線，根據(jù)地震反應(yīng)內(nèi)容的不同，可分為位移反應(yīng)譜、速度反應(yīng)譜及加速度反應(yīng)譜。在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，通常采用加速度反應(yīng)譜，簡稱地震反應(yīng)譜Sa（T）。體系的自振周期為T=2π／ω，由式（6）得地震反應(yīng)譜曲線方程為

1.3 時(shí)程分析法

時(shí)程分析法指的是，在地震作用下，由初始狀態(tài)開始一步一步地積分，直到地震作用終止，求出結(jié)構(gòu)從靜止到振動(dòng)一直到達(dá)最終狀態(tài)的全過程結(jié)果。GB5001-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.6.2 條規(guī)定，“不規(guī)則且具有明顯薄弱部位的地震時(shí)可能導(dǎo)致重嚴(yán)重破壞的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行罕遇地震作用下得彈塑性變形分析”[8]。因此，可根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的具體特點(diǎn)選擇是采用靜力彈塑性分析法還是彈塑性時(shí)程分析方法。

時(shí)程分析法在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，能更真實(shí)地描述結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，基本運(yùn)動(dòng)方程為[9]

式中 [M]、[C]、[K]——分別為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震性能有限元分析

2.1 ANSYS有限元分析方法的選擇

以裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑為對(duì)象，對(duì)其抗震性能進(jìn)行有限元分析，以期為裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國的發(fā)展及應(yīng)用推廣提供數(shù)據(jù)資料，因此，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震性能的有限元分析方法從將地震作用簡化成地震波響應(yīng)及地震譜響應(yīng)兩種方式中進(jìn)行選擇。為了提高裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系抗震性能分析的精度及準(zhǔn)確度，本文選擇以真實(shí)地震波為簡化基礎(chǔ)的地震作用簡化方式進(jìn)行地震響應(yīng)有限元分析。

2.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震性能有限元分析流程

以北京地區(qū)某裝配式鋼結(jié)構(gòu)酒店建筑為原型，結(jié)合抗震規(guī)范及工程實(shí)踐的數(shù)據(jù)內(nèi)容，建立具有不同層高、柱距及桁架跨度數(shù)據(jù)尺寸的工程模型，通過ANSYS 有限元分析軟件對(duì)縮尺比例模型加載地震波，研究其抗震性能情況。本文按照北京地區(qū)某裝配式鋼結(jié)構(gòu)酒店建立的縮尺模型及網(wǎng)格劃分情況如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)格劃分圖

根據(jù)規(guī)范，北京地區(qū)及周邊的抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g（g 為重力加速度），設(shè)計(jì)地震分組為第一組[12]。利用1976 年11 月15 日在天津?qū)幒影l(fā)生6.9 級(jí)地震所記錄的地震加速度數(shù)據(jù)[13]，借助SeismoSignal 及SeismoArtif 軟件，將其簡化成水平及豎向兩個(gè)方向的地震加速度，分別如圖2、圖3 所示。

圖2 地震波水平加速度時(shí)程圖

圖3 地震波豎向加速度時(shí)程圖

對(duì)該酒店工程實(shí)例項(xiàng)目進(jìn)行簡化，基于單變量分析的基礎(chǔ)，建立7 個(gè)結(jié)構(gòu)模型方案，各方案均為10 層、四跨度的混合式交鋼結(jié)構(gòu)。7 個(gè)有限元模型方案的具體尺寸數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 交錯(cuò)桁架抗震性能模型方案數(shù)據(jù)表

2.3 結(jié)果分析

通過驗(yàn)算各方案的長寬比、高寬比，所建立的模型均符合我國現(xiàn)行規(guī)范。分別對(duì)7 個(gè)有限元模型方案建模并進(jìn)行有限元分析。限于文章篇幅，本文直接對(duì)有限元分析結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，簡略了數(shù)值模擬結(jié)果圖。7 個(gè)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑方案在地震作用下的結(jié)構(gòu)模型層間位移分別如表2～表4 所示。

表2 不同層高的結(jié)構(gòu)模型層間位移匯總表

表3 不同柱距的結(jié)構(gòu)模型層間位移匯總表

表4 不同桁架跨度的結(jié)構(gòu)模型層間位移匯總表

結(jié)合該酒店工程實(shí)例所建立的不同層高的ANSYS有限元模型，依次為2.7m，3.0m，3.3m。通過對(duì)建筑物模型在地震作用下發(fā)生變形較為顯著的第三榀框架及變形較小的第一榀框架在X、Y、Z三個(gè)方向的層間變形最大值可以看出：同一地震作用下，建筑模型在X、Y、Z三個(gè)方向上的最大層間位移隨層高的增長而增長，且各樓層層間位移均能滿足JGJ 99-2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》及GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。從結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力云圖可以看出層高為2.7m、3.0m、3.3m 的結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)力峰值分別為110MPa、447MPa、677MPa，隨著層高增大，整體結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)力峰值也增大了。

本章建立了柱距為7.5m、8.1m、9.0m 三種建筑模型，通過對(duì)建筑物模型發(fā)生變形較為顯著的第三榀框架及變形較小的第一榀框架在X、Y、Z三個(gè)方向的層間變形最大值可以看出：同一地震作用下，建筑模型在X、Y、Z三個(gè)方向上的最大層間位移隨柱距的增長而增長，在X 方向上的增長較為明顯，在Y和Z方向上的層間位移變形增大速度較緩慢，且各樓層層間位移均能滿足JGJ 99-2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》及GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。而從結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力云圖可以看出柱距為7.5m、8.1m、9.0m 的結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)力峰值分別為447MPa、508MPa、754MPa，隨著柱距的增大，整體結(jié)構(gòu)模型中的應(yīng)力峰值也增大了。

本章中建筑模型的桁架跨度設(shè)置為15m、18m 和21m 3 種尺寸，通過對(duì)建筑物模型發(fā)生變形較為顯著的第三榀框架及變形較小的第一榀框架在X、Y、Z三個(gè)方向的層間變形最大值可以看出：同一地震作用下，建筑模型在X、Y、Z三個(gè)方向上的最大層間位移隨桁架的增長而增長；當(dāng)桁架跨度為21m 時(shí)，結(jié)構(gòu)模型最大層間位移在X、Y、Z方向上的增長較為明顯，最大層間位移值高達(dá)7.438E-03m，通過對(duì)不同桁架跨度結(jié)構(gòu)模型應(yīng)力云圖的觀察與分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)桁架跨度為21m 時(shí)，結(jié)構(gòu)模型低層桁架結(jié)構(gòu)中較多節(jié)點(diǎn)進(jìn)入了塑性階段，應(yīng)力峰值高達(dá)937MPa，說明較大跨度的桁架結(jié)構(gòu)會(huì)影響建筑抵抗地震荷載的能力。

3 結(jié)語

通過對(duì)層高為2.7m、3.0m、3.3m，柱距為7.5m、8.1m、9.0m，桁架跨度為15m、18m、21m 的裝配式鋼結(jié)構(gòu)模型在地震作用下發(fā)生的位移變形進(jìn)行整理，7 個(gè)有限元模型的層間位移值及層間位移角契合GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中“5.5.1 在多遇地震作用下，多、高層鋼結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值為[θe]=1／250”的標(biāo)準(zhǔn)，說明所建立的模型在不同影響因素作用下仍能夠表現(xiàn)出較為優(yōu)異的抗震能力。

對(duì)7 個(gè)有限元模型在X、Y、Z三個(gè)方向位移變化云圖觀察分析后可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)模型在地震作用產(chǎn)生的位移變形隨著層高的增加而增大，雖然一大半以上有限元模型發(fā)生了較大的傾斜，但位移變形數(shù)據(jù)契合符合規(guī)范要求。7 個(gè)有限元模型在X、Y方向上的變形比在Z 方向上的變形大，說明水平地震作用對(duì)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的影響較大。

通過對(duì)7 個(gè)有限元模型的整體位移變化云圖及應(yīng)力云圖進(jìn)行觀察分析，不難發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)模型中上層部分的位移變形較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)模型發(fā)生傾斜，較大應(yīng)力值一般出現(xiàn)在低層桁架的頂端或底端節(jié)點(diǎn)處。柱距、桁架跨度較大的模型方案對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)整體位移變化云圖中也能看到，位于中上層的桁架結(jié)構(gòu)部分的位移變形較為突出，雖然位移變形數(shù)據(jù)在JGJ 99-2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》及GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的范圍之內(nèi)，但為了提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)桁架結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸獭?/p>