小高層鋼結構住宅抗震性能研究

史三元,侯桂欣,蘇曉亮

(1.河北工程大學土木工程學院,河北邯鄲056038;2.青島新華友建工集團股份有限公司,山東青島266101)

與其它結構相比,鋼結構在使用功能、設計、施工以及綜合經濟方面都具有優勢。杜關記[1]等人以典型的鋼結構住宅為例,研究和探索了多高層鋼結構住宅結構體系的選擇;米旭峰[2]進行了非線性彈塑性時程響應分析,總結了鋼支撐設計方法對多層框架抗震性能的影響。文獻[3-9]則對不同的鋼結構體系的多高層住宅,進行了設計參數、技術經濟指標等方面的研究。本文從研究鋼結構小高層結構體系的抗震性能出發,分別建立了鋼框架、鋼框架支撐2種三維空間有限元模型,試圖分析不同的抗震烈度區下抗震性能的變化規律。

1 建立模型

本文建立了鋼框架和鋼框架支撐兩種結構體系的三維空間有限元模型,并利用SAP2000有限元分析軟件對模型進行了動力分析。

1)模型的建立：一幢11層的住宅樓,層高3m,建筑面積3 872m2,平面為矩形,局部凹進去4m;軸線長32m,寬12m;無地下室。鋼框架結構、鋼框架支撐模型見圖1和圖2。

2)模型分析條件：進行7度區和8度區地震作用下的動力特性分析和動力響應分析。

3)框架體系主要構件見表1。

表1 結構體系主要構件表Tab.1 The main components of the frame system (mm)

2 計算原理

小高層建筑結構可以簡化為一個多質點體系,其運動微分方程可以表示為

在△t時刻,其運動微分方程表示為

[M]—結構的質量矩陣;[C]—結構的阻尼矩陣;[K]—結構的剛度矩陣;{x(t)}—結構各質點在t時刻的位移;{﹒x(t)}、{﹒x(t+△t)}—結構各質點在t、t+△t時刻的速度;{¨x(t)}、{¨x(t+△t)}—結構各質點在t、t+△t時刻的加速度; {Fp(t)}、{Fp(t+△t)}—結構在t、t+△t時刻的動荷載。

數值積分法的計算過程[7]：假設 t=0時刻的狀態向量(位移、速度、加速度)已的,將時間求解域0≤t≤T進行離散得t=0+△t時刻的狀態向量,進而計算t=t+△t時刻的狀態向量,直至t =T時刻終止,得到動力響應的全過程。

3 結構動力分析

進行7度區和8度區地震作用下的動力特性分析和動力響應分析,得到結構的自振頻率,通過動力響應分析得到結構的頂點位移、層間位移分析結果,,進而進行2種結構體系的抗震性能分析。

3.1 結構動力特性分析

通過模態分析得到了2種模型的前10階振型對應的自振頻率(表2)。

表2 結構的自振頻率Tab.2 The natural frequency of the structure (Hz)

3.2 結構動力響應分析

對2種模型進行地震作用下位移響應進行分析、比較,了解2種模型各自的抗震性能。地震動力響應計算采用ElCentro地震波,時間間隔為0.02s,持續時間為30s,使用于II類場地,南北方向,波的峰值加速度為341.7m/s2。如圖3所示。

1)結構的頂點位移：通過程序計算得出兩種結構體系在在地震烈度為7度、8度下的頂點位移時程曲線(Y向)。如圖(4-7)。

通過以上位移時程有限元分析,可以得到3種結構體系Y向的頂點最大位移值(表3)。

表3 頂點最大位移值Tab.3 The Maximum of vertex displacement

由以上數據可得出如下結論：2種結構體系在Y向地震波作用下,隨著地震加速度的增加,各結構體系的頂點最大位移也在增大;并且結構體系的頂點最大位移隨結構體系的Y向抗側剛度的增大而減小;因此加上支撐的結構體系的頂點最大位移明顯低于純鋼框架結構體的頂點最大位移。

2)結構的層間位移：2種結構體系的最大層層間位移曲線見圖8、圖9。

由以上層間位移曲線可以看出：3種結構體系的相對層間位移隨著地震加速度的增大而增大;純鋼框架的層間位移比加設支撐的層間位移的最值明顯大很多,說明增加結構的抗側剛度的同時能夠減小結構的層間位移;Y向地震波作用下,純鋼框架的層間位移最大值出現的位置為第2層、鋼支撐結構為第8層,充分證明了鋼框架結構體系的變形為剪切型結構,而加設支撐體系的鋼框架結構的變形為彎剪型結構。

4 結論

1)在小高層鋼框架結構體系中,隨著地震烈度的增大,鋼框架結構的側移增大非常明顯,所以在地震烈度比較大的地區,對小高層結構體系不宜建造鋼框架結構體系。

2)鋼框架-中心支撐體系的側向剛度比鋼框架結構體系的側向剛度大,所以鋼框架-中心支撐體系的側向位移比鋼框架結構體系的側向位移明顯減小很多,同時由于側向剛度的增大,其自振頻率也有所增大。

3)地震波經過不同場地過濾與選擇性放大之后,作用于上部主體結構的地震波的周期成份有所變化,鋼框架-支撐結構的自振周期比鋼框架結構的自振周期小,為了防止結構在使用過程中因其自振周期與場地卓越周期相近而造成的共振,應根據不同的場地選擇與其相適應的結構體系。

[1]杜關記.多高層鋼結構住宅體系抗震性能有限元分析[D].長春：吉林大學,2007.

[2]米旭峰.鋼支撐設計方法對多層框架抗震性能的影響研究[J].江蘇科技大學學報(自然科學版),2008,22 (2)：25-30.

[3]劉良胤.多高層鋼結構住宅幾種結構類型的研究[D].武漢：武漢理工大學,2006.

[4]鄭添.多高層鋼結構住宅結構體系的優選研究[D].南京：東南大學,2005.

[5]何路衡,楊建軍,劉觀云.七度抗震烈度下多層鋼結構住宅體系及性能研究[J].甘肅科技,2008,24(8)：98-102.

[6]張程.鋼結構小高層住宅設計研究與技術經濟分析[D].北京：清華大學,2008.

[7]彭俊生,羅永坤,彭 地.結構動力學、抗震計算[M].成都：西南交通大學出版社,2006.

[8]王濤,孟麗巖,孫景紅,等.框架-剪力墻結構的彈塑性地震反應[J].黑龍江科技學院學報,2008,18(6)：455-460.

[9]史三元,郭維光,陳鑫,等.高層鋼結構抗震能體系的力學性能分析[J].河北工程大學學報(自然科學版), 2008,25(4)：1-3.