大底盤L 型鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

周宏

通常來說，鋼結(jié)構(gòu)的延展性能以及抗震性能是比較好的。所以在高層建筑的項目中最理想的材料就是鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)還有一個優(yōu)勢就是可以通過使用不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu)來增加建筑物的美觀性。外在的很多因素都會影響到不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu)的性能，所以在建筑過程中不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要考慮地震因素的影響。本文研究大底盤L 型鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能如何提高，主要討論X 型支撐材料和單斜桿的情況下抗震性能的改變程度。

L 型建筑物有很多獨特的優(yōu)勢。一方面是能夠在用地方面節(jié)約用地成本；另一方面能夠保證設(shè)備的性能質(zhì)量，可以跟周邊的一些建筑物保持高度的統(tǒng)一。在生活中很多工程項目都會應(yīng)用到這項技術(shù)。通常來說，因為這種類型的結(jié)構(gòu)的樓層質(zhì)量和剛度中心有很大的偏心距，導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)承受地震擾動的時候，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)發(fā)生的可能性較大，容易導(dǎo)致產(chǎn)生垂直水平的變化[1]。也就是方向這個角度其實存在很大的相關(guān)性。所以，設(shè)計人員在對結(jié)構(gòu)和材料進行設(shè)計的時候，起碼要考慮到水平二維方向的地震影響。近年來，我國城建設(shè)計中常用的是分析結(jié)構(gòu)抗震性能的辦法主要是時程分析方法和反應(yīng)譜分析方法[2]。對于反應(yīng)光譜方法來說，每個國家的規(guī)范都是主要按照每個方向上反應(yīng)譜的抗震響應(yīng)值以及這些響應(yīng)值組合起來的值。對于時程分析法來說，在大多數(shù)情況下使用結(jié)構(gòu)體系中平行的橫軸和縱軸，以及地震動輸入方向。前面的假設(shè)在規(guī)則結(jié)構(gòu)的時候是成立的，但是如果鋼材料是不規(guī)則的話假設(shè)就不再成立了。如果是不規(guī)則的情況就要考慮地震輸入角度的這個問題。因此，在下文中采用9 層的L 型鋼材結(jié)構(gòu)作為例子，分析多維反應(yīng)譜組合狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)變化狀態(tài)以及這種結(jié)構(gòu)的模態(tài)特征。這種研究可以為以后的科學(xué)中同種類型的鋼結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)化工作的開展，提供新的參考依據(jù)。

1.結(jié)構(gòu)模型

近年，利用軟件在大底盤模型進行的建模，分別構(gòu)建不設(shè)置支撐工具的模型A、增設(shè)單斜桿支撐的模型B、設(shè)置X 型支撐的模型C。在軟件中建立模型的時候，將模型的進深和開間設(shè)置為6m，其中進深設(shè)置為8 跨，開間設(shè)置為11 跨。采用的模型使用的數(shù)據(jù)是十五層的樓層，其中第一層到第三層高度設(shè)置為4.5m，第四層到第十五層高度設(shè)置為3.0m。此外，樓層的面板混凝土材料強度的設(shè)置為C30 等級，Q345 鋼材，樓面板的厚度大約為120mm。模型框架中的梁采用的是工字鋼，其型號主要為HW300mm×300mm×15mm×15mm；框架中的柱采用的是工字鋼，其主要型號為HW400mm×400mm×30mm×50mm；結(jié)構(gòu)支撐截面采用的是工字鋼，其型號為HW250mm×250mm×9mm×14mm。這種材料能夠適用的是抗震等級烈度為8 度的建筑物，其建筑物的為2 類場地的地段。樓面的載荷設(shè)置主要為：活載荷參數(shù)為2kN/m2，恒載荷參數(shù)為4kN/m2，邊梁的均布載荷為8kN/m2。

2.結(jié)構(gòu)對地震的可承受性

2.1 模態(tài)分析

計算機技術(shù)方面，本文采用有限元軟件SAP2000，在上文所述的鋼結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行了模態(tài)分析。最后，得到了12 階振性數(shù)據(jù)作為分析研究的基礎(chǔ)。在對鋼結(jié)構(gòu)的動力性質(zhì)進行研究的時候，主流的方法就是特征向量法和Ritz向量法。根據(jù)數(shù)據(jù)計算過程中的工作量和精準度特征，最后采用Ritz 向量法進行相關(guān)分析。

本試驗所設(shè)置的模型A 的具體參數(shù)為第一振型Uy=0.7486（y 指的是朝y 方向去移動）；第二振型Ux=0.6486（x 指的是朝x 方向去移動）；第三振型Uz=0.4955（z 是朝著z 方向去移動）；第四振型sum（Ux）=99.97%，sum（Uy）=94.60%。依次設(shè)置的模型B 具體參數(shù)為第一振型Uy=0.8053（y 指的是朝y方向去移動）；第二振型Ux=0.7467（x指的是朝x 方向去移動）；第三振型Uz=0.6965（z 是朝著z 方向去移動）；第四振型sum（Ux）=99.99%，sum（Uy）=96.33%。模型C 具體參數(shù)為第一振型Uy=0.8148（y 指的是朝y 方向去移動）；第二振型Ux=0.7555（x 指的是朝x 方向去移動）；第三振型Uz=0.7250（z 是朝著z 方向去移動）；第四振型sum（Ux）=100%，sum（Uy）=97.43%。

模型A、B、C 具體的質(zhì)量參與系數(shù)是全部都大于90%，這完全滿足抗震建筑設(shè)計規(guī)范中的要求。然而，如果在大底盤L型鋼結(jié)構(gòu)中增加支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置，鋼結(jié)構(gòu)的很多參數(shù)就會發(fā)生變化，尤其是自振周期的變化是最大的。研究三個模型最終得出的結(jié)果可以知道，鋼結(jié)構(gòu)自振周期最大的是模型A，自振周期最小的就是模型C，居中是模型B。也就是說，在對大底L 型鋼結(jié)構(gòu)進行增設(shè)支撐結(jié)構(gòu)之后，鋼結(jié)構(gòu)對于地震作用的削弱效果更加顯著，尤其是增加了X 型支撐之后鋼結(jié)構(gòu)性能的提高是最顯著的。

2.2 反應(yīng)譜分析

由于在實際情況下地震的發(fā)生機理復(fù)雜，因此結(jié)構(gòu)對于地震響應(yīng)的一些情況需要采用適用于處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的反應(yīng)譜分析。采用這種方法分析的具體步驟是：第一步使用動力學(xué)的原理方法去計算地震響應(yīng)的程度，然后根據(jù)實際需求得出合適的反應(yīng)譜曲線；第二步是使用靜力學(xué)方面合適的方法去進行研究。因此，本文中的結(jié)論都是采用SAP200 軟件計算結(jié)果總結(jié)得出的。

在通過反應(yīng)譜分析相關(guān)數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)數(shù)據(jù)樓層數(shù)量增加了之后，每個模型的層移開始慢慢增加。如果增加支撐結(jié)構(gòu)之后，所研究樓層的位移和位移角明顯地減少，其中最為明顯的就是X 型支撐的情況。

2.3 時程彈性分析

如果地震響應(yīng)的實際情況需要更加高精度的結(jié)果，那么就需要采用時程分析的功能來解決。其原因是這種方法可以隨時反映鋼結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的程度。建筑物的場地類別、抗震設(shè)防烈度等要求決定了相對應(yīng)的人工波和地震波。利用這種技術(shù)，可以得到每一種模型的層間位移和位移角，然后幫助研究曲線的可視化[3]。

在通過時程彈性分析相關(guān)數(shù)據(jù)得出的結(jié)果是，在最大底盤L 型鋼結(jié)構(gòu)增加支撐設(shè)施之后，鋼結(jié)構(gòu)的最大位移和位移角數(shù)值大小發(fā)生了很明顯的下降。并且當(dāng)支撐的設(shè)置不同的時候，結(jié)構(gòu)位移和位移角的變化也不會不一樣。X 型支撐和單斜桿支撐相比較，X 型支撐的優(yōu)化性能會更好。

3.地震激勵輸入角度不同的影響作用

如果將地震的輸入角度設(shè)置從0°改變?yōu)?50°，那么鋼結(jié)構(gòu)的截面彎度就會變小，但是結(jié)構(gòu)的彎矩就會明顯變大；也就是說如果地震發(fā)生的方向發(fā)生變化，那么結(jié)構(gòu)的截面中產(chǎn)生的同類型的內(nèi)力就會立刻發(fā)生改變。因此，筆者認為單獨的指標去衡量地震輸入角度對于鋼結(jié)構(gòu)變化的影響是不科學(xué)的。這種規(guī)律也可以應(yīng)用于考慮基底反力和節(jié)點位移響應(yīng)。在實踐過程中把鋼材作為建筑材料的首選新材料，這樣做的理由是鋼材可以較好地適用于屈服準則，這種情況下可以考慮省略扭矩和截面剪切力對于結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。根據(jù)軟件計算結(jié)果得出，當(dāng)?shù)卣疠斎虢嵌劝l(fā)生改變時，呈現(xiàn)出的規(guī)律是P 先減小后增加，另外它的最大值不是一定會出現(xiàn)在0°或者90°的。所以說如果僅僅使用簡單的時程分析方法就想對L 型鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能進行研究，這樣是不可行的，也是不科學(xué)的。

4.結(jié)束語

本文主要是有對照組是增加X 型支撐的鋼材料、增加單斜桿的鋼材料，應(yīng)用的主要軟件是SAP2000 去進行主要模型的構(gòu)建。模型分析選擇了模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析和時程彈性分析，然后對這三種結(jié)構(gòu)進行了地震效果的評估[4]。根據(jù)分析得出的理論主要是以下內(nèi)容：

（1）對三種模型進行三種結(jié)構(gòu)分析，對比得出的結(jié)果表明，X 型支撐的結(jié)構(gòu)、單斜桿的結(jié)構(gòu)在很大程度上都可以增強大底盤L 型鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能。

（2）比較X 型支撐的結(jié)構(gòu)、單斜桿的結(jié)構(gòu)對大底盤L型鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能，X 型支撐的結(jié)構(gòu)在提高抗震性能方面是最具有優(yōu)勢的。

（3）對于大底盤L 型鋼結(jié)構(gòu)的自振周期的改善，X 型支撐的結(jié)構(gòu)的改善幅度是最大的。反應(yīng)譜分析得出的結(jié)果是，增加了支撐后節(jié)后的和不設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)的位移相差不大。

（4）在結(jié)構(gòu)模型進行時程分析的時候，對EL-centro 波、Lanzhou 波和Taft 波比較得出，Taft 波的位移最大，不設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)的位移都一直在減小，間接說明增加支撐結(jié)構(gòu)之后抗震性能增強了。