鋼支撐框架與剪力墻框架的抗震性能對比分析

袁 華

(中鐵十八局集團 北京工程有限公司,北京 100162 )

目前,地震災(zāi)害已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點,由于地震的不可預(yù)見性,其造成的損傷是巨大的[1-2]。由于容易受到地震的破壞,結(jié)構(gòu)在設(shè)計前需要采取必要的措施,同時,需要布置一些耗能裝置來減少地震對結(jié)構(gòu)造成的危害[3-4]。剪力墻系統(tǒng)和鋼支撐系統(tǒng)都是增加框架剛度最有效的手段。目前,在許多高層建筑結(jié)構(gòu)中,剪力墻作為核心抗側(cè)力構(gòu)件,能夠大大提高框架的側(cè)向剛度,同時還可以承受豎向荷載。鋼支撐系統(tǒng)是一種新型的抗側(cè)力體系,具有質(zhì)量輕、加工制作方便及施工快捷等優(yōu)點。盡管鋼支撐系統(tǒng)比剪力墻系統(tǒng)剛度小,但是鋼支撐系統(tǒng)的自重較小,在地震作用下樓層的剪力更小[5-7]。

為闡明剪力墻系統(tǒng)和X型鋼支撐系統(tǒng)對多層建筑框架抗震性能的有利影響,筆者把剪力墻和X型鋼支撐布置在結(jié)構(gòu)的同一位置,以觀察框架柱承受的彎矩和剪力。

1 研究背景

剪力墻具有較好的抗側(cè)向荷載能力,能夠提高結(jié)構(gòu)框架的側(cè)向剛度,在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域具有廣泛的意義。剪力墻可根據(jù)材料、施工工藝和位置分為多種類型:1) 木釘膠合板剪力墻;2) 金屬鉚釘膠合板剪力墻;3) 鋼筋混凝土剪力墻;4) 鋼筋CMU剪力墻;5) 未加固磚墻;6) 鋼筋加固的雙向磚墻;7) 雙釘方形剪力墻。剪力墻根據(jù)施工過程可分為預(yù)制和現(xiàn)澆兩種類型。剪力墻的布置位置是一個關(guān)鍵問題,布置位置不同,質(zhì)量中心和剛度中心也不同。最小化質(zhì)量中心和剛度中心之間的距離能夠有效減少偏心率和扭矩。剪力墻主要從基礎(chǔ)標高開始建造,在建筑物的最大高度上保持最小厚度。通常,剪力墻的厚度為150～250 mm或更大。

鋼支撐系統(tǒng)主要用于抵抗包括風(fēng)和地震作用在內(nèi)的橫向荷載,支撐框架中的構(gòu)件用于承受軸向力。一般來說,支撐框架有中心鋼支撐和偏心鋼支撐兩種類型。中心鋼支撐的抗側(cè)向力方法主要基于軸向受力。相反,偏心支撐框架是一種相對較新的抗側(cè)向力系統(tǒng),用于抵抗地震效應(yīng)。偏心支撐會受到剪力,為框架提供了更大的剛度。這里,采用中心鋼支撐進行建模,用于與剪力墻系統(tǒng)和鋼支撐系統(tǒng)進行比較。

本研究將兩種體系的位移角、位移比、傾覆力矩和剪力等指標進行了對比,總結(jié)兩種結(jié)構(gòu)體系的變形規(guī)律,彎矩和剪力的分配規(guī)律,可供類似工程參考。

2 有限元模型分析

2.1 研究方法

有限元法是一種評估偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值方法,它將整個問題域的離散化小規(guī)模部分組合起來,并使用變分法中的能量方法,通過減少相應(yīng)的誤差函數(shù)來解決問題。該方法側(cè)重于結(jié)構(gòu)分析、固體力學(xué)、動力學(xué)、熱分析、電分析等[8-11]。使用ETABS軟件分析剪力墻系統(tǒng)和鋼支撐系統(tǒng)以確定每個模型的力學(xué)行為和性能。

由于客戶的選擇不同,受設(shè)計理念、建筑視角等因素影響,住宅和商業(yè)等用途的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有豐富的多樣性。本研究選擇形狀簡單的結(jié)構(gòu),主框架的高度、面積、跨度及使用的材料保持不變。對于剪力墻系統(tǒng),在框架結(jié)構(gòu)某些梁柱節(jié)點處采用固定型鋼支撐,型鋼截面需符合最小長細比。在相同位置布置剪力墻或鋼支撐,對結(jié)構(gòu)進行分析,綜合對比結(jié)構(gòu)周期、位移角、位移比,以及框架承擔(dān)的剪力和彎矩,分析兩種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點。

2.2 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)平面24 m×48 m,根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)(簡稱抗規(guī))要求布置支撐或剪力墻(圖1),共20層,層高為3.5 m,結(jié)構(gòu)總高為70 m。

圖1 標準層結(jié)構(gòu)平面布置(單位:mm)

鋼支撐混凝土框架結(jié)構(gòu)的三維模型見圖2,混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)的三維模型見圖3。

圖2 鋼支撐混凝土框架結(jié)構(gòu)三維模型

圖3 混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)三維模型

混凝土柱截面800 mm×800 mm,混凝土梁框架梁300 mm×500 mm,次梁250 mm×450 mm,剪力墻厚250 mm,鋼支撐采用HW250×250的型鋼,材質(zhì)Q235B,混凝土等級為C40。地震烈度為7度(0.15 g),場地類別為Ⅱ類,設(shè)計分組為第一組。

本研究重點針對剪力墻系統(tǒng)和鋼支撐系統(tǒng)對建筑抗震性能的影響展開研究。在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域,地震分析是非常復(fù)雜的部分,而考慮到地震的相應(yīng)特征,需要采用精確的過程來分析結(jié)構(gòu)框架力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)分析有兩種類型:1) 靜態(tài)分析又稱為等效靜力法,將地震力以歸一化的方式進行計算,根據(jù)建筑物重量計算總基底剪力;2) 動態(tài)分析(在等效靜力法不能夠有效分析時使用),包括反應(yīng)譜分析、時程分析和推覆分析三種類型,按建筑抗震設(shè)計規(guī)范(以下簡稱抗規(guī))的振型分解反應(yīng)譜法進行地震計算。

3 結(jié)果分析

表1統(tǒng)計了兩個模型的前8階振型,質(zhì)量參與系數(shù)已達到規(guī)范要求的90%,第一振型為Y向平動,第二振型為X向平動,第三振型為扭轉(zhuǎn)振型。圖4將兩個結(jié)構(gòu)的周期進行了對比。

表1 鋼支撐和剪力墻框架周期統(tǒng)計表

圖4 周期對比

由圖4可知,鋼支撐框架的周期比剪力墻框架的周期要大一些,說明鋼支撐框架結(jié)構(gòu)的剛度比剪力墻支撐框架的要小。由抗規(guī)的反應(yīng)譜圖形可知,結(jié)構(gòu)的地震作用系數(shù)處于曲線的下降段,周期越大,地震作用力就越小。由此可知,鋼支撐框架與剪力墻框架相比,其地震作用力更小,對起到抗震作用較為有利。

對鋼支撐框架的位移角和位移比進行統(tǒng)計,結(jié)果詳見表2。對剪力墻框架的位移角和位移比進行統(tǒng)計,結(jié)果見表3。

表2 鋼支撐框架的位移角和位移比統(tǒng)計表

表3 剪力墻框架結(jié)構(gòu)的位移角和位移比統(tǒng)計表

由表2和表3可知,兩種結(jié)構(gòu)的位移角和位移比都符合規(guī)范要求,X向和Y向的變形接近,說明兩個方向的剛度接近,是一個規(guī)則結(jié)構(gòu)。X向由于結(jié)構(gòu)比較長,位移比比較小,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)很小。Y向的位移比則較大,1～3層和11～20層鋼支撐框架結(jié)構(gòu)的位移比為1.15,比剪力墻框架的位移比要大。由此可見,鋼支撐框架結(jié)構(gòu)的抗扭能力比剪力墻框架結(jié)構(gòu)差。

鋼支撐框架和剪力墻框架的位移角對比情況見圖5和圖6。

圖5 X向位移角對比圖

圖6 Y向位移角對比圖

由圖5和圖6可知,鋼支撐框架和剪力墻框架的在X向和Y向沿層高的變形規(guī)律基本一致,鋼支撐框架在沿層高的變形呈現(xiàn)出彎曲變形的形狀,剪力墻框架在沿層高方向呈現(xiàn)出剪切變形的形狀。在17層以下,鋼支撐框架的位移角比剪力墻框架的大,在17層以上,鋼支撐框架的位移角比剪力墻框架的小,這是由兩種結(jié)構(gòu)體系的抗水平力的區(qū)別決定的。

對鋼支撐框架柱和支撐分別統(tǒng)計傾覆力矩及框架柱的彎矩比(表4)。

表4 鋼支撐框架柱傾覆力矩及彎矩比統(tǒng)計

對剪力墻框架柱和剪力墻分別進行傾覆力矩及框架柱的彎矩比統(tǒng)計,統(tǒng)計結(jié)果見表5。

表5 剪力墻框架柱傾覆力矩比及彎矩統(tǒng)計

由表4和表5可知,由于X向的框架柱數(shù)量較多,X向的框架柱承受的傾覆力矩比Y向大,符合框架柱和支撐(剪力墻)按剛度分配彎矩的原則。其對比見圖7和圖8。

圖7 框架柱X向傾覆力矩比對比圖

圖8 框架柱Y向傾覆力矩比對比圖

由圖7和圖8可知,X向和Y向剪力墻框架柱的傾覆力矩都比鋼支撐框架的大,說明剪力墻的剛度比鋼支撐大,剪力墻承擔(dān)的彎矩比鋼支撐的大。沿層高方向,框架柱承擔(dān)的彎矩逐漸增大,剪力墻框架結(jié)構(gòu)在底部的彎矩約70%由剪力墻承擔(dān),鋼支撐框架結(jié)構(gòu)在底部的彎矩約40%是由鋼支撐來承擔(dān)。

對鋼支撐框架柱和支撐分別進行剪力及框架柱剪力比統(tǒng)計(表6)。

表6 鋼支撐框架柱剪力及剪力比統(tǒng)計

對剪力墻框架柱和剪力墻分別進行剪力及框架柱的剪力比統(tǒng)計(表7)。

表6和表7中,在結(jié)構(gòu)的頂層框架柱的剪力加上剪力墻的剪力并不等于總剪力,是由于軟件統(tǒng)計剪力時,采用的是振型解法,各個振型的剪力經(jīng)過CQC組合后,已經(jīng)使代表符號的正負號丟失了。由表4和表5中的彎矩符號也可知,在結(jié)構(gòu)的頂部存在剪力反號的現(xiàn)象。其對比見圖9和圖10。

圖9 框架柱X向剪力比對比圖

圖10 框架柱Y向剪力比對比圖

由圖9和圖10可知,X向和Y向剪力墻框架柱的剪力都是鋼支撐框架的大,說明剪力墻的剛度比鋼支撐大,剪力墻承擔(dān)的剪力比鋼支撐的大。沿層高方向,底層框架柱承擔(dān)了較大的剪力,其余層框架柱承擔(dān)的剪力逐層增大,剪力墻框架結(jié)構(gòu)在底部的剪力約85%由剪力墻承擔(dān),鋼支撐框架結(jié)構(gòu)在底部的剪力約35%由鋼支撐承擔(dān),雖然結(jié)構(gòu)的總體指標相差不大,但是內(nèi)力的分布是有較大差別的,剪力墻的彎矩和剪力都可以由剪力墻傳給基礎(chǔ),鋼支撐的彎矩和剪力都是由支撐傳給框架柱,再由框架柱傳給基礎(chǔ),與支撐相連的框架柱受力較大,剪力墻框架則情況相反。

在實際工程中,對于剪力墻框架結(jié)構(gòu),此案例的框架柱剪力不滿足建筑抗震設(shè)計規(guī)范關(guān)于0.2g抗震等級的要求,需要按規(guī)范對剪力進行調(diào)整。對于鋼支撐框架,需要按建筑抗震設(shè)計規(guī)范進行無支撐模型的補充分析,筆者旨在研究兩種體系的受力特點。

4 結(jié) 論

為了研究剪力墻系統(tǒng)和鋼支撐系統(tǒng)在地震作用下表現(xiàn)出不同的力學(xué)行為,筆者對同一位置采用剪力墻或鋼支撐的鋼筋混凝土框架進行了簡化數(shù)值分析,得到以下結(jié)論:1) 鋼支撐混凝土框架和剪力墻框架的周期相近,鋼支撐混凝土框架的周期略大,反映出剪力墻框架結(jié)構(gòu)的剛度比鋼支撐混凝土框架的剛度大。鋼支撐框架與剪力墻框架相比,其受到地震的作用力更小,對抗震有利。2) 通過對比鋼支撐混凝土框架和剪力墻框架的位移角,在17層以下,鋼支撐框架的位移角比剪力墻框架大;在17層以上,鋼支撐框架的位移角比剪力墻框架的小。鋼支撐混凝土框架在高度方向上是彎曲變形,剪力墻框架則是剪切變形。3) 由于剪力墻的剛度比鋼支撐框架大,剪力墻框架柱承擔(dān)的傾覆力矩比鋼支撐框架的大,沿層高方向,框架柱承擔(dān)的彎矩會逐層增大。4) 由于剪力墻的剛度比鋼支撐框架大,剪力墻框架柱承擔(dān)的剪力比鋼支撐框架的大,沿層高方向,框架柱承擔(dān)的剪力逐層增大。5) 鋼支撐質(zhì)量比剪力墻小,在高層或超高層中可以減小框架柱的軸壓比,由于鋼支撐的剪力和彎矩需要傳給框架柱,給框架柱增加了軸力,因此在實際工程中需通過計算方可確定方案的可行性。