L 形平面布置的鋼框架結構抗震性能分析方法

鄭懿 朱益

(深圳市華納國際建筑設計有限公司，浙江杭州 310000)

L形建筑物既能保證功能要求，又節約用地，且與周邊建筑規劃保持協調等優點，在實際工程中得到廣泛的應用［1-3］。根據文獻［4］可知，由于該類結構的樓層剛度中心和質量中心存在著偏心距，致使在結構承受地震作用時，任意水平向的地震激勵都會引起結構扭轉，誘發另一垂直水平向的響應，即方向振型存在著相關性，抗震設計時應至少考慮水平二維地震動作用。目前，常采用的抗震性能分析方法為反應譜法和時程分析法，對于前者，各國規范主要先根據反應譜的各向地震作用時的響應值，然后再對各向響應值進行組合，且存在著多種組合方式;對于后者，普遍采用假設地震動輸入方向與結構體系的橫軸、縱軸平行，而文獻［5］［6］指出，該假設對于規則結構是合理的，反之，應考慮地震動輸入角度的改變。借此，本文以9層L形的鋼框架結構為例，對其模態特征、常用多維反應譜組合法和不同地震動輸入角度時的結構響應進行了闡述，可供同類結構抗震設計與性能分析做參考。

1 結構特征與模態分析

某9層空間框架鋼結構，各結構層均為L形平面，縱向為7跨，跨度均為8 m，橫向5跨，跨度分別為9 m，6 m，9 m，9 m，9 m，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度為0.30g，場地類別為Ⅲ類，第一設計分組。按照各主要構件的位置不同，分為角柱、邊柱、中柱、邊框梁、中框梁，柱均為箱形截面，角柱尺寸為(0.8× 0.8×0.04×0.04)m，邊柱尺寸為(0.7×0.7×0.03×0.03)m，中柱為(0.6×0.6×0.03×0.03)m，梁為L形截面，邊框梁為(0.65× 0.3×0.03×0.012)m，中框梁為(0.5×0.2×0.03×0.012)m。為合理求得模態特征，分別采用ANSYS和SAP2000軟件進行分析，圖1，圖2分別給出了振型周期和ROTZ振型質量累計數的比較，可見模型是合理的。該建筑鋼結構示意圖如圖3所示，基于以上分析，圖4～圖6分別給出了結構第1階～第3階模態特點，并結合圖2可知，第1，2階模態雖然主要表現為平動，但由于該類結構的平面特點，致使伴隨著扭轉模態，且所占的振型質量百分數不可忽略。

圖1 振型周期比較

圖2 振型質量累計數比較

2 多種常用反應譜法比較

對于水平二維反應譜組合，國外常用的組合方式如下［4］:

圖3 結構示意圖

圖4 第1階模態

圖5 第2階模態

圖6 第3階模態

3 地震激勵輸入角度的影響

以圖9為例，當地震動輸入角度由0°變為150°時，截面彎矩Mz變小，而彎矩My變大，即地震動作用方向改變時，截面同類內力彼此的變化趨勢相反，即僅用單個響應指標衡量地震動輸入角度對結構響應的影響是不合理的，該規律同樣適用于節點位移響應和基底反力。考慮到構件材料為鋼材，能較好的滿足Mises屈服準則，在忽略截面剪力和扭矩的影響下，可取截面內力組合(p)作為研究對象，見式(1):

圖7 X向水平位移比較

圖8 Y向水平位移比較

根據式(1)，表2給出了地震動輸入角度從0°～150°范圍時的p最大值。可知，隨著地震動輸入角度的改變，p先減小后增大，且最大值未必出現在0°或90°，因此，不能簡單的用平行于坐標軸的時程分析法對該類結構進行抗震設計與分析。

圖9 不同地震動輸入角度時的截面彎矩

表1 各組合方式的基底反力比較

表2 p與輸入方向的關系 kPa

4 結語

以L形鋼結構框架為例，對該類結構的抗震分析方法進行了研究。首先，采用ANSYS和SAP2000有限元軟件對其模態特征進行了詳細分析，發現扭轉模態較為明顯，應合理考慮方向振型的相關性。接著，以基底反力和節點位移為對象，比較了常用的多維反應譜組合法，指出40%法最大，其余方法相差很小。最后，以截面內力組合為對象，分析了不同地震動輸入角度時的響應值，發現最大值并未出現在地震動輸入方向與結構橫軸、縱軸平行，供同類結構抗震設計與分析作參考。

［1］ 徐 琳，高銀鷹，張建宇.神州科技大廈結構設計［J］.建筑結構，2009(39)：299-301.

［2］ 徐貴清，張文勇.鼎好電子商城二期結構設計［J］.建筑結構，2008，38(8)：27-30.

［3］ 陳 林，萬紅宇，朱興剛.首都圖書館二期暨北京市方志館主中庭結構設計［J］.結構設計，2011，41(1)：50-51.

［4］ 李宏男.結構多維抗震理論［M］.北京：科學出版社，2006.

［5］ 方詩圣，許永永，張 鯤，等.曲線梁橋的最不利地震反應分析［J］.合肥工業大學學報，2011，34(8)：1216-1221.

［6］ 范立礎，聶利英，李建中.復雜結構地震波輸入最不利方向標準問題［J］.同濟大學學報，2003，31(6)：631-636.