某高層鋼框架結構基于pushover方法的抗震分析

摘要：本文以某高層鋼框架結構為例，進行基于pushover方法的抗震設計分析，對比結構在不同工況下的目標位移和層間位移角，以說明基于pushover方法的結構抗震分析的可靠性和實用性。

關鍵字：高層 鋼框架結構 pushover方法 抗震分析

中圖分類號：TU973 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（b）-0000-00

1、概述

高層鋼框架結構是一種新型的結構形式，鋼結構具有自重輕、強度高、承受動力荷載的能力好、韌性和塑性好等優點，尤其是鋼結構和混凝土結構相比，鋼結構良好的延性特點能夠使其在變形很大的情況下而不倒塌。因此，鋼結構是一種良好的結構抗震材料。目前，我國的高層鋼框架結構還正處于廣泛應用的階段，研究高層鋼框架結構的抗震性能很有意義。本文就是對某高層鋼框架結構基于pushover方法的抗震分析。

2、pushover方法

2.1 基本原理和假定

Pushover分析方法是和反應譜相互結合的靜力彈塑性分析的方法，是按照一定的加載方式，給結構施加一個單調遞增的水平向荷載，使結構產生一個給定的目標位移，以此來分析判斷結構的變形和受力是否滿足設計和使用要求。其基本原理是把結構簡化成為一個等效的單自由度的結構體系，計算和分析結構在設防地震作用時的最大位移，把它當做是目標位移。

建立結構的二維或三維模型，把地震作用等效為水平荷載，施加在計算模型上，對荷載以增量的方式進行結構非線性靜力分析，直至結構的位移達到目標位移值為止。在計算分析的過程中要及時找出結構的塑性鉸，修改總的剛度矩陣。根據結構變形和位移達到目標位移值時的結構變形和內力，可以判斷和評估結構的抗震能力。

Pushover分析方法的假定是：一、計算結構體系和該結構的等效單自由度結構體系的反應是相互關聯的，即結構的第一振型控制結構的反應；二、在每一個荷載的加載步中，結構沿著高度方向的變形由形狀向量表示，在這一過程當中，不論結構變形的大小，形狀向量不變。

2.2 Pushover分析基本過程及荷載工況

本次計算利用SAP2000軟件的pushover功能進行結構計算分析，分析過程如下：首先建立結構的計算模型，定義結構構件的屬性，確定結構計算和分析的工況，然后運行pushover進行計算分析，最后查看計算結果，得出結構的變形、內力等結果。

SAP2000軟件提供了三種荷載加載方式，分別為自定義分布、均勻加速度分布和振型荷載分布。在進行pushover分析計算時，首先要計算和分析豎向荷載作用下結構的內力和變形，然后在此基礎上考慮水平力作用下結構的內力和變形。因此，本次計算分析的水平荷載加載模式（工況）如下：

第一工況：豎向荷載；

第二工況：豎向荷載+均勻分布荷載X方向；

第三工況：豎向荷載+均勻分布荷載Y方向；

第四工況：豎向荷載+結構的第一振型分布；

第五工況：豎向荷載+結構的第二振型分布。

3、某高層鋼框架基于pushover方法的抗震分析

本文以某高層鋼框架結構為例，對其進行基于pushover方法的抗震計算分析。

3.1 工程概況及計算模型

某十二層鋼框架結構，層高為3m，結構的梁柱和支撐全部是H型鋼，梁的截面尺寸是：400mm×300mm×10mm×16mm，柱子的截面尺寸是：600mm×300mm×12mm×20mm，支撐的截面尺寸是：200mm×200mm×8mm×12mm，樓板是100mm厚的鋼筋混凝土現澆板。鋼框架結構的建筑地區抗震設防烈度是8度，場地類別是Ⅱ類，結構設計地震分組是第二組，場地特征周期是0.4s，結構的阻尼比是0.05，設計的地震加速度值是0.209。在SAP2000中建立結構計算模型如圖1所示。

3.2 分析結果

3.2.1 結構的目標位移

由計算結果可知，工況二情況下，多遇地震時結構頂層的目標位移為0.074m，罕遇地震時結構頂層的目標位移為0.392m；工況三情況下，多遇地震時結構頂層的目標位移為0.055m，罕遇地震時結構頂層的目標位移為0.309m；工況四情況下，多遇地震時結構頂層的目標位移為0.084m，罕遇地震時結構頂層的目標位移為0.531m，工況五情況下，多遇地震時結構頂層的目標位移為0.063m，罕遇地震時結構頂層的目標位移為0.385m。

分布比較工況二和工況四、工況三和工況五可以發現，兩組工況下得出的數據結果相差不大，這說明對于高層鋼框架結構來說，不同的加載模式會產生差異，且工況四時結構產生的位移大于工況二作用時結構的位移，工況五時結構產生的位移大于工況三作用時結構的位移，這是因為工況二和工況三是側向均布的荷載，工況四和工況五是倒三角分布的荷載，符合實際情況。

3.2.2 結構塑性鉸的分布

觀察計算結果可以發現，罕遇地震時結構是逐步出現塑性鉸，多遇地震時結構沒有出現塑性鉸。分析罕遇地震發現，工況二、工況三、工況四和工況五時結構都是在第五個荷載分析步時出現塑性鉸，在第七個荷載分析步時梁單元進入屈服階段，但是最終柱單元上沒有出現塑性鉸。

3.2.3 結構的層間位移角

觀察計算結果可以知道，四種工況下結構產生的層間位移角都能夠滿足結構抗震設計規范的規定要求，彈性層的層間位移角小于1/300，彈塑性層間位移角小于1/50。

4、結論

伴隨著結構抗震設計當中越來越多的引入基于性能設計的思想，基于pushover方法的抗震分析必然會越來越多的應用于地震工程界當中。通過本文的計算和分析可以得出以下結論：

對高層鋼框架結構進行基于pushover方法的抗震分析時，使用不同的水平荷載加載模式得到的結構頂點位移和層間位移角有差別，但是差別不大，得到的結果符合荷載的加載模式實際情況。

本文以某高層鋼框架為例，進行基于pushover方法的抗震設計分析，在分析的過程中，可以比較清楚的看到結構塑性鉸的出現和構件的屈服過程，對于今后結構的抗震設計和評估具有十分重要的參考意義。

參考文獻

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