某小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的抗震性能分析

王濤

【摘 要】 本文以某小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅為例，利用SAP2000軟件，對三種不同的結(jié)構(gòu)形式：框架結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和框架—支撐結(jié)構(gòu)，進(jìn)行抗震性能分析，主要包括模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析和基于pushover方法的分析。根據(jù)計算結(jié)果，對三種不同的結(jié)構(gòu)形式抗震性能進(jìn)行比較。

【關(guān)鍵詞】 小高層 鋼結(jié)構(gòu) 住宅 抗震性能

1、緒論

目前，我國對于小高層鋼結(jié)構(gòu)還沒有明確的定義，一般認(rèn)為24m以上的建筑為高層建筑，在鋼結(jié)構(gòu)形式的住宅當(dāng)中，認(rèn)為結(jié)構(gòu)的建筑高度超過24m，低于50m，而且結(jié)構(gòu)的層數(shù)大于7層的建筑為小高層建筑。高層鋼結(jié)構(gòu)住宅具有良好的經(jīng)濟效益，尤其是采用標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的方式，可以更好的節(jié)約成本，提高效益，但是目前，對多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的研究較為廣泛和深入，對小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的抗震性能分析不足，制約其發(fā)展和推廣。

本文以某住宅項目為例，綜合比較純框架、框架—剪力墻和框架—支撐三種結(jié)構(gòu)形式在8度的地震作用下的響應(yīng)，比較分析結(jié)構(gòu)形式的特點。

2、工程概況

本工程的軸線長度為38.4米，寬度為16.2米，主體結(jié)構(gòu)的高度為40.5米，建筑的總高度為41.6米，共十一層，建筑的高寬比是2.49，小于8度抗震設(shè)計的限值（6.0），工程的建筑面積是6491平方米。結(jié)構(gòu)的建筑場地類型為Ⅱ類，8度抗震要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計地震分組為第三組。在結(jié)構(gòu)的抗震分析計算當(dāng)中，假定柱和基礎(chǔ)為剛性連接，主梁和柱為雙向剛性連接，支撐及次梁為鉸接連接。結(jié)構(gòu)的平面布置如下圖1所示。

2.1 荷載

結(jié)構(gòu)的樓面恒荷載根據(jù)建筑材料的自重進(jìn)行統(tǒng)計計算，活荷載取值為2.0kN/m2，在軟件計算當(dāng)中為模擬隔斷墻的自重，在主梁上施加2.5kN/m的恒荷載，屋面的恒荷載和活荷載取值為0.5kN/m2。

2.2 結(jié)構(gòu)形式和材料屬性

本次計算分析三種鋼結(jié)構(gòu)形式，分別為框架結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和框架—支撐結(jié)構(gòu)，各個結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)布置和材料如下。

框架結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)及框架—支撐結(jié)構(gòu)的主梁、次梁和主柱均采用Q345鋼。主梁的截面尺寸為H400mm×200mm×8mm×13mm，次梁的截面尺寸為H350mm×200mm×8mm×10mm，主柱的截面尺寸為H350mm×350mm×18mm。樓板采用C20混凝土，HRB235鋼筋，樓板厚度均為100mm。剪力墻采用C30混凝土，HRB235鋼筋，剪力墻的厚度為200mm。支撐的截面尺寸為H150mm×150mm×7mm×10mm，主柱的截面尺寸為H350mm×350mm×18mm。樓板采用C20混凝土，HRB235鋼筋。

3、計算結(jié)果

本次計算利用SAP2000對結(jié)構(gòu)先后進(jìn)行模態(tài)分析，反應(yīng)譜分析和基于pushover方法的計算分析，在建模計算的過程中，為了保證露面荷載能夠順利的傳遞，使用面截面膜單元進(jìn)行建模，假定Z軸的約束是剛性。

3.1 結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

模態(tài)分析計算結(jié)果提取結(jié)構(gòu)的動力特征值主要包括：結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和周期。計算結(jié)果表明動荷載作用下，該鋼結(jié)構(gòu)住宅的低階振型是控制作用的振型，對于結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移的貢獻(xiàn)比較大。因此取結(jié)構(gòu)前三階的振型進(jìn)行分析，忽略高階振型對結(jié)構(gòu)的影響。各個結(jié)構(gòu)形式的前三階模態(tài)分析數(shù)據(jù)如下表1。

由計算結(jié)果可知，框架結(jié)構(gòu)的周期較大，周期下降的速度較慢，振型剛度較小，質(zhì)量參與系數(shù)的密度較大；框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度最大，周期下降的速度最快，振興的特征也十分明顯，扭矩出現(xiàn)的比較早，這是因為剪力墻集中布置在電梯井周圍的原因；框架—支撐結(jié)構(gòu)的周期最小，周期下降的速度緩慢，結(jié)構(gòu)的剛度較大，質(zhì)量參與系數(shù)比較分散。總的來說，通過模態(tài)分析的計算結(jié)果和理論推斷的結(jié)果相比較，可以判斷出模型建立的正確性，值得注意的是框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的扭矩出現(xiàn)較早，說明剪力墻布置不夠合理，在結(jié)果中有所體現(xiàn)。

3.2 結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜分析

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，多遇地震作用下地震的影響系數(shù)取為0.16，結(jié)構(gòu)的阻尼比取為0.035，場地的特征周期取為0.45s，分別對三種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行X和Y方向的地震反應(yīng)譜計算分析，其中列出x方向的計算結(jié)果見表1。

由計算結(jié)果可以看出，8度地震作用下，支撐及剪力墻對柱底剪力的分擔(dān)效果十分明顯，柱底部剪力和框架結(jié)構(gòu)相比明顯減小，說明框架結(jié)構(gòu)和另外兩種結(jié)構(gòu)相比抗側(cè)移能力較差，X和Y方向的頂點位移和最大層間位移都很大；框架—支撐結(jié)構(gòu)的支撐分散布置，在增加結(jié)構(gòu)剛度額同時沒有給柱子增加很明顯的豎向承載力，剪重比數(shù)值較小，在罕遇地震非線性分析中考慮結(jié)構(gòu)自重的二階效應(yīng)很有必要.

3.3 基于pushover方法的分析

對框架結(jié)構(gòu)和框架—支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下基于pushover方法的分析，由于SAP2000對框架—剪力墻結(jié)構(gòu)不能直接進(jìn)行pushover分析，因此，在這里不再進(jìn)行討論。采用X和Y方向單獨推覆，收集代表性的推覆步和剖面進(jìn)行觀察和比較，截取x方向計算結(jié)果見下圖2至圖3。

由計算結(jié)果可知，框架結(jié)構(gòu)在X和Y方向的塑性鉸都是首先出現(xiàn)在梁上，這符合對結(jié)構(gòu)強柱弱梁設(shè)計的分析。框架—支撐結(jié)構(gòu)的支撐上最先出現(xiàn)塑性鉸，消耗地震能量，增加了結(jié)構(gòu)的整體延性。

框架結(jié)構(gòu)的性能點在X方向的位移為313mm，在Y方向的位移為302mm，框架—支撐結(jié)構(gòu)的性能點在X方向的位移為225mm，在Y方向的位移為201mm。框架—支撐結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下控制結(jié)構(gòu)位移的能力更加優(yōu)越。

4、結(jié)論

本文通過對某十一層鋼結(jié)構(gòu)住宅框架結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和框架—支撐結(jié)構(gòu)在8度地區(qū)的地震作用計算分析，得出如下結(jié)論：

（1）不同的結(jié)構(gòu)形式在地震作用下，結(jié)構(gòu)自身的振型、周期、剛度相差較大，從而影響結(jié)構(gòu)的受力，框架結(jié)構(gòu)的周期較大，地震作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)移較大，在小高層結(jié)構(gòu)當(dāng)中適當(dāng)布置支撐和剪力墻能夠較好的控制結(jié)構(gòu)的側(cè)移。

（2）框架—支撐結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗側(cè)移能力較強，但是結(jié)構(gòu)自身的支撐在地震作用下易出現(xiàn)塑性鉸，可以利用這一點布置防屈曲支撐來消耗地震作用的能量。

（3）框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的層間位移和層間位移角沿高度方向變化很小，在地震作用下控制結(jié)構(gòu)的位移和剪力方面有優(yōu)勢。

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