張經(jīng)緯，雷慶關(guān)，章雨健，楊躍宇

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230601)

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非規(guī)則鋼結(jié)構(gòu)體系的地震反應(yīng)分析

張經(jīng)緯，雷慶關(guān)，章雨健，楊躍宇

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230601)

針對(duì)不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu)，采用SAP2000軟件分別建立鋼框架結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)兩種模型，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)兩個(gè)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行多遇地震下的彈性模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析以及結(jié)構(gòu)線性時(shí)程分析，利用反應(yīng)譜理論對(duì)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬分析。經(jīng)數(shù)據(jù)比較兩模型的層間位移及層間位移角，再根據(jù)所得數(shù)據(jù)評(píng)估、對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)的抗震性能。結(jié)果表明:剪力墻結(jié)構(gòu)的布置能減小結(jié)構(gòu)的自振周期、結(jié)構(gòu)層間位移角，增加結(jié)構(gòu)自身抗側(cè)移能力，最終達(dá)到有效降低地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)體系破壞的目的。

不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu)；框剪結(jié)構(gòu)；模態(tài)分析；層間位移角；抗震性能

0 引 言

近年來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)住宅基于其獨(dú)特的優(yōu)良特性，如良好抗(振)震性、抗風(fēng)性、保溫性、自重輕、節(jié)能、環(huán)保，能夠快速準(zhǔn)確的裝配，工業(yè)化生產(chǎn)程度較高等，在我國(guó)住宅產(chǎn)業(yè)中得到迅速而有廣泛的發(fā)展。在我國(guó)近幾年迅猛發(fā)展的建筑行業(yè)里，國(guó)產(chǎn)鋼材基本上可以滿足國(guó)內(nèi)住宅的需求，其對(duì)比與傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)有著更強(qiáng)的抵抗地震作用下的水平荷載以及相應(yīng)的抗(振)震能力，其次鋼材能夠有效減少對(duì)于環(huán)境污染，其配套材料大部分也可以回收再利用。因此鋼結(jié)構(gòu)在住宅產(chǎn)業(yè)中發(fā)展既滿足生態(tài)環(huán)境要求，又符合當(dāng)代中國(guó)國(guó)情及社會(huì)發(fā)展的需求。

SAP2000是一種集成化的針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)模型能夠進(jìn)行完全動(dòng)力分析的軟件，同時(shí)是國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行業(yè)主導(dǎo)使用的有限元分析軟件之一。文章采用SAP2000針對(duì)該不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)在有、無(wú)剪力墻時(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析，經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算得出兩個(gè)建筑模型的動(dòng)力特性，并分析結(jié)構(gòu)在有無(wú)剪力墻時(shí)對(duì)于結(jié)構(gòu)模型抗震性能的差別。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程設(shè)計(jì)

通過(guò)采用SAP2000建立不規(guī)則鋼框架結(jié)構(gòu)，層數(shù)為8層。節(jié)點(diǎn)采用剛接的約束形式連接、型鋼梁、全固接栓焊框架、箱型柱。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)層高3.5m，梁、柱強(qiáng)度等級(jí)均為C40，主筋型號(hào)為HRB400，箍筋型號(hào)為HRB335，規(guī)格為500×500mm；主梁的規(guī)格為600×300mm，次梁的規(guī)格為500×250mm，剪力墻為370mm。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度按照要求為8度；結(jié)構(gòu)活載以及結(jié)構(gòu)靜荷載分別是2.0kN/m2、5.0kN/m2；地震基本加速度為0.2g，結(jié)構(gòu)梁上線荷載是10kN/m，II類(lèi)結(jié)構(gòu)場(chǎng)地類(lèi)型。本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是施工便捷迅速，工程材料使用節(jié)約。

1.2 結(jié)構(gòu)超限認(rèn)定

建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)可分為平面方向不規(guī)則體系和豎向方向不規(guī)則體系兩類(lèi)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，主要有下列三種類(lèi)型[2]：即結(jié)構(gòu)層之間樓板局部不連續(xù)、建筑結(jié)構(gòu)凹凸不規(guī)則性和建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。在現(xiàn)實(shí)研究中，只要涉及不規(guī)則結(jié)構(gòu)，均應(yīng)對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的理論論證、確保結(jié)構(gòu)的安全性。下圖1是鋼框架結(jié)構(gòu)體系；圖2是鋼框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

圖1 鋼框架結(jié)構(gòu)體系

圖2 鋼框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系

2 鋼結(jié)構(gòu)的抗震分析理論

鋼結(jié)構(gòu)抗震理論主要有結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析方法、工程結(jié)構(gòu)時(shí)程理論分析等方法?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在地震作用影響下會(huì)產(chǎn)生各種動(dòng)力反應(yīng)，這是因?yàn)榈卣鹱饔盟a(chǎn)生的慣性力來(lái)自于結(jié)構(gòu)變位，產(chǎn)生的慣性力又會(huì)影響結(jié)構(gòu)變位本身，所以框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)動(dòng)力分析與靜力分析相比在內(nèi)力、速度、加速度等都方面要復(fù)雜得多。

力求清晰地表達(dá)力與力之間封閉的循環(huán)的因果關(guān)系，現(xiàn)把慣性力通過(guò)方程的形式轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)變位的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，其運(yùn)動(dòng)方程為[2]：

(3)

在SAP2000程序中的默許使用計(jì)算程序是H-H-T法，也有模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析和時(shí)程分析。通過(guò)上述理論依據(jù)，加之使用有限元軟件進(jìn)行相應(yīng)的模擬計(jì)算，即可進(jìn)行常規(guī)的三種動(dòng)力分析。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析理論上是通過(guò)坐標(biāo)變換來(lái)計(jì)算得出自身特有的、較為精確的頻率、自振周期等基本參數(shù)，所以結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析是線性結(jié)構(gòu)體系在地震分析中是重要的方法。模態(tài)分析是在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)的基礎(chǔ)性分析，同時(shí)也是作為其他相關(guān)結(jié)構(gòu)性能分析的依據(jù)。[3]根據(jù)SAP2000模擬情況，本結(jié)構(gòu)前12階結(jié)構(gòu)自振周期見(jiàn)下列表1、圖3。

表1 兩個(gè)模型之間自振周期對(duì)比

圖3 兩個(gè)模型之間自振周期對(duì)比圖

模態(tài)分析能夠使讀者對(duì)于兩個(gè)結(jié)構(gòu)本身特性有一個(gè)客觀的了解和認(rèn)識(shí)，根據(jù)質(zhì)量參與系數(shù)狀態(tài)的參數(shù)結(jié)果能夠較為精準(zhǔn)的進(jìn)行評(píng)判本結(jié)構(gòu)的平扭屬性。通過(guò)表1和圖3可以清楚地看到，鋼框架結(jié)構(gòu)剛度較小，所以周期最大為3.017 564s，在框架結(jié)構(gòu)加上剪力墻之后，由于自身剛度有所提高，其平動(dòng)位移和扭轉(zhuǎn)位移都減小，使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大大增加，故周期相對(duì)于框架結(jié)構(gòu)小得多，提高了結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。

3.2 反應(yīng)譜分析

反應(yīng)譜分析方法是根據(jù)相關(guān)理論確定結(jié)構(gòu)各振型之間的地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響最大作用力,然后將其作為等效靜力荷載作用于結(jié)構(gòu)上,按彈性靜力方法實(shí)施結(jié)構(gòu)計(jì)算,得出結(jié)構(gòu)各組振型對(duì)應(yīng)的最大地震影響作用力,再通過(guò)組合各個(gè)地震影響的作用力，最終得總的地震水平影響力。振型分解反應(yīng)譜法是一種用來(lái)計(jì)算多自由度結(jié)構(gòu)體系地震效力的擬動(dòng)力分析方式。根據(jù)SAP2000對(duì)所設(shè)計(jì)模型進(jìn)行反應(yīng)譜技術(shù)計(jì)算，所得數(shù)據(jù)詳見(jiàn)下列表2、表3、圖4、圖5。

表2 框架結(jié)構(gòu)體系各個(gè)樓層的最大位移和與之對(duì)應(yīng)的位移角

表3 框剪結(jié)構(gòu)體系各個(gè)樓層的最大位移和與之對(duì)應(yīng)的位移角

根據(jù)上述圖表可得，框架結(jié)構(gòu)在第一層時(shí)縱向及橫向位移分別為6.55mm、9.47mm，縱向及橫向位移角分別是1/534、1/370，過(guò)渡到第二結(jié)構(gòu)層之后，其各個(gè)數(shù)值顯著增大，這是由于結(jié)構(gòu)自身抗側(cè)移能力很有限，結(jié)構(gòu)層之間避免不了產(chǎn)生相應(yīng)的位移，并且層數(shù)越高各結(jié)構(gòu)層累加的這些應(yīng)力值就越大。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的剪力墻布置之后，各層縱、橫向位移角及最大位移均顯著減少，尤其在第七層，結(jié)構(gòu)在加上剪力墻之后相對(duì)于原本的普通框架結(jié)構(gòu)就顯得安全的多，這是結(jié)構(gòu)由于合理的布置了剪力墻，有效地減小了體系變形和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的作用，提高了建筑穩(wěn)定性，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)安全必要的剛度。同時(shí)上述數(shù)值均滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》細(xì)則中所規(guī)定的彈性層間位移角規(guī)定的1/250限值要求。[1]

3.3 彈性結(jié)構(gòu)時(shí)程分析

時(shí)程分析法是相對(duì)與其他分析方法中更為精確和先進(jìn)的理論方法，具體體現(xiàn)在它可以模擬出各個(gè)時(shí)刻在各個(gè)點(diǎn)的位移、加速度和所有的桿件內(nèi)力，能夠具體反映出地面運(yùn)動(dòng)的方向、特性以及持續(xù)作用的效力情況，因此彈性時(shí)程分析理論更優(yōu)于上述的其他分析方法。[4]

本結(jié)構(gòu)所選取的地震波有Taft波、EL波和人工合成波Lanzhou波，選取的依據(jù)是選取有代表性的、選取實(shí)際的地震波記錄和選取根據(jù)實(shí)際情況人工合成的地震波。[5]時(shí)程分析法中各個(gè)樓層之間的最大位移和各個(gè)層間位移角如下表4、表5、圖6、圖7所示。

表4 框架結(jié)構(gòu)各個(gè)樓層最大位移與所對(duì)應(yīng)樓層的層間位移角

表5 框剪結(jié)構(gòu)各個(gè)樓層最大位移與所對(duì)應(yīng)樓層的層間位移角

圖6 時(shí)程分析下框架結(jié)構(gòu)位移包絡(luò)圖

圖7 時(shí)程分析下框剪結(jié)構(gòu)位移包絡(luò)圖

綜上圖表數(shù)據(jù)顯示了結(jié)構(gòu)各個(gè)樓層之間的最大位移、層間位移角，可見(jiàn)框剪結(jié)構(gòu)Taft波下的水平位移比框架結(jié)構(gòu)該波下的理論數(shù)值上顯著減小了25.3mm，框剪結(jié)構(gòu)EL波下的水平位移比框架結(jié)構(gòu)該波下的理論數(shù)值上顯著減小了20.5mm，框剪結(jié)構(gòu)Lanzhou波下的水平位移比框架結(jié)構(gòu)該波下的理論數(shù)值上顯著減小了21.7mm。顯然，框剪結(jié)構(gòu)的層間位移及層間位移角理論數(shù)值均小于框架結(jié)構(gòu)，這是由于框剪結(jié)構(gòu)的自身剛度和強(qiáng)度要高于框架結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)的整體性和抗側(cè)移性能也遠(yuǎn)不如只在體系外邊緣加上剪力墻的框剪結(jié)構(gòu)，所以在體系周?chē)侠聿贾孟鄳?yīng)的剪力墻，顯然可以有效地增強(qiáng)房屋結(jié)構(gòu)的抗震和抵抗水平荷載的能力。[6-7]

根據(jù)《抗規(guī)》[1]規(guī)定：所有條時(shí)程曲線經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算出的建筑結(jié)構(gòu)體系底部剪力理論計(jì)算數(shù)值上大于0.65倍反應(yīng)譜法的理論數(shù)值，同時(shí)還需按照結(jié)構(gòu)場(chǎng)地類(lèi)型并按照規(guī)范選取的現(xiàn)實(shí)客觀的地震記錄以及除此之外的模擬時(shí)程分析曲線，記錄強(qiáng)震的數(shù)量應(yīng)該至少多于選取總數(shù)的2/3，時(shí)程分析在最終數(shù)據(jù)的客觀性上是優(yōu)于反應(yīng)譜法的。

4 小 結(jié)

(1)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法都是基于承載力及強(qiáng)度的抗震應(yīng)用思想，剪力墻結(jié)構(gòu)不僅僅提供了結(jié)構(gòu)安全必要的剛度，還改變了梁、柱的受力模式，減小結(jié)構(gòu)的周期、層間位移角，使構(gòu)件非線性性能發(fā)生變化，更能夠有效保證結(jié)構(gòu)的整體性和抗側(cè)移性能，有效地提高抗震性能。[8]

(2)建筑的層間位移和位移角會(huì)隨著建筑層數(shù)的上升而增大，把框架整體和剪力墻聯(lián)系在一起后,結(jié)構(gòu)在受力后會(huì)產(chǎn)生較大的側(cè)移剛度,而框架能夠使每層的變形進(jìn)行有效地傳遞，從而使結(jié)構(gòu)達(dá)到協(xié)同變形，故框剪結(jié)構(gòu)的層間位移及層間位移角理論數(shù)值均小于框架結(jié)構(gòu)，且其增長(zhǎng)曲線也比框架結(jié)構(gòu)更趨于平緩，結(jié)構(gòu)由剪切性破壞過(guò)渡到彎曲性破壞，顯然結(jié)構(gòu)性能是優(yōu)于框架結(jié)構(gòu)。

(3)框剪結(jié)構(gòu)能夠有效的保護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，能夠明顯的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性并優(yōu)化結(jié)構(gòu)的破壞模式，改變體系的非線性性能，保證了體系的穩(wěn)定性、耐久性，并使一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)想更容易實(shí)現(xiàn)。[9]

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[2] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[3] 雷慶關(guān),陳東.SAP2000在“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”中的應(yīng)用探討[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2012,20(3)：56-58.

[4] 李國(guó)強(qiáng),李杰，蘇小卒.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002：51-66.

[5] 龔思禮.建筑抗震設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002：11-26.

[6] 龍馭球,包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)下冊(cè)[M].2版.北京:高等教育出版社,1999:209-261.

[7] 張子陶.輕型鋼結(jié)構(gòu)與其住宅的特點(diǎn)及發(fā)展[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，34(Z1):217-220.

[8] Lee B , Pessiki S. Thermal Performance Evaluation of Concrete Three—wythe Sandwich Wall Panels [J]. Energy and Building，2006，38:1006-1014.

[9] 朱佰芳.有限元法原理與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2000：58-63.

[責(zé)任編輯：張永軍]

Seismic Response Analysis of Irregular Steel Structure System

ZHANG Jing-wei ,LEI Qing-guan,ZHANG Yu-jian，YANG Yue-yu

(School of Civil Engineering,Anhui Jianzhu University, Hefei 230601,China)

When articles were established steel frame structure and frame structure for the two models using irregular steel SAP2000 software, according to the structural characteristics of the two structures were encountered more elastic modes under seismic analysis, structural analysis, and structural response spectrum linear drive analysis, response spectrum theory for the response numerical simulation analysis, the comparison and the data layer and layer displacement angle displacement between two models, according to the obtained data evaluation, seismic performance comparison of the two structures.Conclusions show arrangement of shear wall structure can be reduced vibration period of the structure, the structure of inter-story drift, anti-sway structure itself increase capacity and ultimately reduce the earthquake damage to the structure of the system.

irregular steel;superstructure;modal analysis;interlayer displacement angle;seismic behavior

2016-02-10

2016-07-10

安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(KJ2014ZD07)資助。

張經(jīng)緯(1991—)，男，安徽滁州人，安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院2015級(jí)碩士研究生。

TU391

A

2096-2371(2016)04-0090-06