鋼管混凝土框架－剪力墻結構的抗震性能分析

魏翠玲，王利云，劉永剛

(1.河北工程大學 建筑學院，河北 邯鄲056038;2.昊華工程有限公司，北京100089)

鋼管混凝土框架－剪力墻結構兼有框架結構空間布置靈活和剪力墻結構剛度大等特點，目前對該結構的研究大多集中于整體地震模擬試驗［1－4］和梁柱節點抗震性能方面［5］，而對該結構的抗震性能理論數值分析相對較少。本文針對鋼管混凝土框架－剪力墻結構的整體抗震性能進行理論研究，采用SAP2000有限元分析軟件分別對12層鋼管混凝土框架－剪力墻結構和12層鋼管混凝土框架結構進行模態分析和地震響應彈塑性時程分析，并對結構在不同地震波作用下的頂點位移和最大絕對加速度等數值進行比較分析，為該結構的設計提供參考。

1 結構模型的建立

建立12層鋼管混凝土框架－剪力墻結構模型(圖1)，結構層高均為3 m，總高度為36 m，結構采用方鋼管混凝土柱，截面為500 mm×500 mm，鋼管壁厚為20 mm，鋼梁截面為H500 mm×300 mm×11 mm×18 mm，樓板厚120 mm，混凝土等級為C35，剪力墻厚180 mm，結構鋼材均采用Q345，混凝土強度均為C40。該結構按8度設防，場地類別為Ⅱ類場地，設計地震分組為第二組，場地特征周期為0.40 s，設計基本地震加速度為 0.20ɡ。本文地震波采用EL－Centro波，蘭州波和唐山波，記錄時間長度取為 30 s，時間間隔為0.01 s。在SAP2000中框架梁柱采用桿單元模擬，板和剪力墻采用shell殼單元模擬［10］，并與12層鋼管混凝土框架結構進行比較分析。

2 結構模型的分析

結構地震響應分析一般常用方法為振型分解反應譜法和時程分析法，由于振型分解反應譜法不能反映地震作用下非線性的反應過程，尤其是在強烈地震作用下結構進入塑性狀態時，基于彈性分析的反應譜法就不能得到真正的地震反應，而時程分析法可以跟蹤結構在地震時的整個反應過程，并適用于結構的非線性地震反應分析［5］。所以本文采用時程分析法［7］進行地震響應分析。

2.1 結構動力特性分析

對結構進行動力特性分析得出鋼管混凝土框架－剪力墻結構與鋼管混凝土框架結構的前10階自振周期表1所示，分析結果可以看出，鋼管混凝土框架－剪力墻結構的自振周期明顯減小，由結構剛度大、自振周期小可知在鋼筋混凝土剪力墻作用下鋼管混凝土框架結構具有較好的整體抗震性能。

2.2 結構地震響應分析

1)位移分析。圖2給出了在不同地震波作用下結構的地震反應層間最大位移值，可以看出鋼管混凝土框架－剪力墻結構最大位移明顯小于鋼管混凝土框架結構最大位移。根據位移計算得在El－Centro波、蘭州波、唐山波作用下，鋼管混凝土框架結構層間最大位移角分別為1/848、1/2 998、1/623，鋼管混凝土框架－剪力墻結構層間最大位移角分別為 l/1 909、1/5 660、1/1 424，可以看出鋼管混凝土框架－剪力墻結構層間最大位移角明顯小于鋼管混凝土框架結構的最大位移角，且均符合規范規定［6］結構在地震作用下層間位移角限值1/550。

表1結構的前10階自振周期Tab.1 Top 10 order nature periods of the structures s

2)加速度分析。結構頂層在3種地震波作用下的加速度時程曲線如圖3所示。由計算結果知，在El－Centro波、蘭州波、唐山波作用下，鋼管混凝土框架－剪力墻結構的頂層最大絕對加速度分別為 1 648 mm/s2、769 mm/s2、2 015 mm/s2，鋼管混凝土框架結構的頂層最大絕對加速度分別為1 875 mm/s2、1 612 mm/s2、2 673 mm/s2。由此可知，在3種地震波作用下，鋼管混凝土框架－剪力墻結構的水平向加速度峰值均比鋼管混凝土框架結構的水平向加速度峰值有所降低。

3)基底最大剪力分析。表2給出了兩類結構在不同地震波作用下基底剪力最大值。

表2兩類結構基底剪力最大值Tab.2 Maximum shear force of the bottom of two kinds of structures kN

3 結論

1)在不同地震波作用下鋼管混凝土框架－剪力墻結構的自振周期明顯小于鋼管混凝土框架結構的自振周期，結構剛度較鋼管混凝土框架結構有所增加，表現出較好的抗震性能。

2)與鋼管混凝土框架結構相比，鋼管混凝土框架－剪力墻結構的層間位移最大值分別降低40%、38%、41%，頂層加速度峰值分別降低18%、47%、25%，基底剪力最大值分別降低35%、45%、32%，說明鋼管混凝土框架－剪力墻結構抵抗水平向地震作用能力、結構屈服強度、極限變形能力均有提高，抗震效果好于鋼管混凝土框架結構的抗震效果。

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