支撐—異形柱鋼框架結構的靜力彈塑性分析

(深圳市建筑設計研究總院有限公司，廣東深圳 518000)

Push-over分析，即靜力非線性分析，是一種基于性能評估結構抗震能力和設計新型結構的方法，它可以比較精確的分析結構的抗側力性能，包括結構的應力和變形的分布、構件的屈服順序、承載的薄弱部位和可能發生的破壞形式。較之一般線性抗震分析，Push-over分析可以提供更為有用的設計信息。

1 基于Push-over方法的異形柱框架結構分析過程

Push-over方法是先算出各層樓面的地震荷載，然后以側向荷載方式作用于結構模型，逐級增加側向荷載，直至結構模型控制點達到目標位移或者結構傾覆。在Push-over分析中，不同的側向力分布模式將產生不同的結果:當結構高振型的影響較小時，可以采用較為簡單的倒三角側向力分布;若結構有較多樓層且不規則時，則要考慮高振型的影響。

異形柱框架結構Push-over分析方法的一般過程:

1)建立結構的模型，包括幾何尺寸、物理參數、節點和構件的編號，求出各構件的塑性承載力。

2)求出結構在豎向荷載作用下的內力，以便和水平荷載作用下的內力進行組合。

3)施加一定量的沿高度呈一定分布的水平荷載;水平荷載施加于各樓層的質心處，水平荷載值的選取應使結構在該水平荷載增量作用下結構的內力和豎向荷載作用下的結構內力以及前面所有的n步結構的累計內力相疊加以后，剛好使一個或一批構件進入屈服狀態為宜。

4)對于上一步進行屈服的構件，改變其狀態，形成一個新的結構，修改結構的剛度矩陣并求出新的結構的自振周期，在其上施加一定量的水平力荷載，又使一個或一批構件恰好進入屈服狀態。

5)不斷重復第4)步直到結構的側向位移達到預定的目標位移。記錄每一步的結構自振周期并累計每一步施加的荷載。

6)成果整理:將每一個不同的結構自振周期及其對應的水平力總量與結構自重的比值繪成曲線，也把相應場地的各條反應譜曲線繪在一起，其形狀如圖1所示。然后由圖1可以對結構抗震性能進行評估。

圖1 Push-over分析成果示意圖

2 算例和討論

采用兩跨三層鋼框架結構，層高3 m，采用人字支撐，見圖2～圖4。鋼材選用Q235鋼，柱截面分別采用H型鋼300×305×15×15，異形柱(H450×200×9×14+T200×200×8×13)，梁截面采用H260×160×5×8，支撐截面采用2∠90×6。樓板采用100 mm厚現澆鋼筋混凝土樓板。框架結構所在地區7度設防，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ，建筑場地地面粗糙度為B級。

圖2 H形柱平面圖

圖3 異形柱平面圖

圖4 支撐—鋼框架立面圖

目前可以進行 Push-over分析的軟件有 ETABS，SAP2000，SCM3D，DRAIN-TABS，CANNY等。本文采用ETABS進行靜力彈塑性分析。

2．1 進行Push-over分析的破壞過程

表1 純鋼框架(H形柱)進行Push-over的破壞過程

不考慮和考慮支撐作用的H形柱鋼框架進行Push-over的破壞過程如表1，表2所示。從表1中可以看出，在純鋼框架中所有橫向梁未失去承載力時，一層柱腳便已喪失承載能力，導致結構破壞。從表2可以看出，支撐—H形柱鋼框架進入彈塑性階段之前，支撐和鋼框架共同組成了結構的抗側力體系。隨著水平荷載的不斷施加，各層支撐相繼進入彈塑性階段，并迅速進入承載力極限狀態，退出工作。隨著結構內力的不斷重分布，一、二層梁隨后失去承載能力。最后因為一層柱腳失去承載能力導致結構破壞(見圖5，圖6)。對比可知，純鋼框架體系梁的承載能力仍有富余，而結構卻因柱腳失去承載力而破壞。支撐框架體系梁的承載能力得到充分利用后結構才破壞。同時支撐先于梁柱破壞也保證了結構具有多道抗震防線。

表2 支撐—鋼框架(H形柱)進行Push-over的破壞過程

圖5 純鋼框架（H形柱）柱腳破壞圖

圖6 支撐—鋼框架（H形柱）柱腳破壞圖

表3 純鋼框架(異形柱)進行Push-over的破壞過程

表4 支撐—鋼框架(異形柱)進行Push-over的破壞過程

不考慮和考慮支撐作用的異形柱鋼框架進行Push-over的破壞過程如表3，表4所示。從表3中可以看出，所有橫向梁先進入彈塑性階段，然后一層柱腳進入彈塑性階段，隨后一層柱腳失去承載力導致結構破壞。從表4可以看出，隨著水平荷載的增加，各層支撐先進入彈塑性階段，很快失去承載力。然后一、二層梁失去承載力，最后一層柱腳失去承載力導致結構破壞(見圖7，圖8)。通過對比可知，支撐—異形柱鋼框架結構可以充分利用梁的承載能力，并為結構抗震提供多道防線。

圖8 支撐—鋼框架（異形柱）柱腳破壞圖

表2，表4分別為支撐—鋼框架(H形柱)、支撐—鋼框架(異形柱)進行Push-over的破壞過程，從表2可以看出，支撐—鋼框架(H形柱)的一層柱腳進入彈塑性階段發生在二層支撐失去承載力之后，三層支撐失去承載力之前。從表4可以看出，支撐—鋼框架(異形柱)的一層柱腳進入彈塑性階段發生在三層支撐失去承載力之后。這是因為H形柱兩個方向的彈性截面模量相差很大，而異形柱兩方向的彈性截面模量相近，而支撐方向是H形柱的弱軸方向，因此一層柱腳先于異形柱鋼框架進入彈塑性階段。

2．2 基底剪力與頂點位移關系曲線

圖9，圖10顯示支撐異形柱鋼框架橫向抗側剛度大于支撐H形柱鋼框架。

圖9 支撐—鋼框架（H形柱）

圖10 支撐—鋼框架（異形柱）

3 結語

1)采用支撐—鋼框架體系時，梁的承載能力得到充分利用，支撐先于梁柱破壞也為結構抗震提供多道防線。2)異形柱的雙向彈性截面模量相近，因此在結構弱側也具有較好的抗震性能。

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