基于ETABS的偏心支撐高強鋼框架Pushover分析

王玉英，張國平，趙慶明，王永寶

(長春工程學院土木工程學院，長春 130012)

基于ETABS的偏心支撐高強鋼框架Pushover分析

王玉英，張國平，趙慶明，王永寶

(長春工程學院土木工程學院，長春 130012)

自從Pushover分析法被引入我國以來，就受到了廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的關(guān)注，這種方法適合被用來分析結(jié)構(gòu)靜力非線性特性。在EATBS2013程序中，Pushover法主要是基于國外規(guī)范提及的FEMA440法，擬利用ETABS2013有限元分析軟件，建立經(jīng)過程序自動優(yōu)化截面后的三維K型偏心支撐組合高強鋼框架模型，分析其在靜力作用下彈塑性階段的內(nèi)力變形及塑性鉸分布情況。

Pushover；ETABS2013；偏心支撐；高強鋼框架

0 引言

1970年國外首次提出Pushover分析法，雖然我國引入得比較晚，但經(jīng)過研究人員的不斷努力，這種方法日趨成熟，此法不僅可以基于性能評估已有結(jié)構(gòu)，還可以用來設(shè)計新結(jié)構(gòu)。ETABS2013給出的Pushover分析法，以美國規(guī)范中的FEMA440為基礎(chǔ)。FEMA440是對先前的ATC40和FEMA356的簡化及修正，可以用來分析鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)等，以建筑結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)為基礎(chǔ)評估抗震性能，主要是為建筑抗震或者加固提出一套分析方法和標準。

1930年國外在抗風結(jié)構(gòu)中首次引入偏心支撐體系，這種新穎的結(jié)構(gòu)體系在40年后才被用于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中。我國應(yīng)用的比較晚，1990年研究人員開始關(guān)注這種新型抗震體系，國內(nèi)首個偏心支撐框架的建筑是位于北京的京城大廈(52層)，其支撐是外包混凝土內(nèi)藏八字形偏心鋼支撐預(yù)制混凝土墻板；還有中國工商銀行的總行大樓和北京規(guī)劃大廈均采用了偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)形式。本文中擬分析的偏心支撐加高強鋼框架的結(jié)構(gòu)形式還未曾在工程實際中應(yīng)用。

在我國較低屈服點鋼材而言，高強鋼的使用量是相當大的，但高強鋼因自身的種種特性，諸如伸長率、強屈比等不滿足規(guī)范要求，而很少被用到結(jié)構(gòu)設(shè)計中，近幾年國內(nèi)相關(guān)科研人員才試將偏心支撐、消能梁段、高強鋼框架組合成二重抗震結(jié)構(gòu)體系，本文中擬模擬一個偏心支撐組合高強鋼框架，梁、柱、支撐構(gòu)件采用Q420鋼材，消能梁段采用Q235鋼材，利用ETABS2013對其進行靜力非線性分析。

1 FEMA440簡介

FEMA440雖然經(jīng)過改進，但是仍然基于ATC40法，只是對等效周期和等效阻尼比的公式進行了改進，并引入了新的技術(shù)來求取性能點，有2點基本假設(shè)：

1)非線性SDOF(等效單自由度體系)的最大位移可以通過線彈性的SDOF體系來估算；

2)線彈性SDOF的周期和阻尼比采用等效周期和等效阻尼比，大于非線性SDOF體系的初始值。

其他分析流程與ATC40一樣，只不過是引入新方法來確定性能點，那就是使用修正系數(shù)M改進需求譜曲線的Sa坐標值，系數(shù)M可用式(1)計算：

(1)

對FEMA356的改進，主要是其流程中的C1、C2系數(shù)的修改，如式(2)：

(2)

Te和R的算法可參照FEMA356法，系數(shù)α在B、C、D級場地中分別取130，90，60；當結(jié)構(gòu)周期小于0.2 s時，取周期為2.0 s時的數(shù)值；當周期大于1 s時，C1取1。

當周期小于2.0s時，C2取周期等于0.2 s時的數(shù)值；當周期大于0.7 s時，C2取1，該系數(shù)僅用于剛度或強度退化十分顯著的結(jié)構(gòu)。

2 模型建立與分析

2.1 基本假設(shè)

在軟件基于FEMA440法進行Pushover分析時，基于以下2個基本假設(shè)：1)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)僅由第一振型控制；2)在任意加載步內(nèi)，結(jié)構(gòu)沿高度變化的形狀向量{Φ}保持不變。

2.2 分析步驟

Pushover分析法的基本步驟：1)建立結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的計算模型；2)定義框架鉸屬性并指定其給框架或索單元；3)定義結(jié)構(gòu)設(shè)計可能需要的任意荷載工況和靜力與動力分析工況，特別是使用默認鉸時；4)運行設(shè)計需要的分析；5)當任何混凝土鉸屬性是基于程序計算的默認值時，必須進行混凝土設(shè)計，以確定配筋；6)當任何鋼鉸是基于程序?qū)ψ詣舆x擇框架截面計算的默認值時，必須進行鋼設(shè)計且接受程序選擇的截面；7)定義Pushover分析所需要的工況；8)定義Pushover分析使用的非線性靜力分析工況；9)運行Pushover分析工況；10)審閱Pushover結(jié)果，繪制Pushover曲線，顯示鉸狀態(tài)的變形形狀、力和彎矩圖形，且打印或顯示需要的結(jié)果；11)按需要修改模型并重復(fù)。

2.3 分析數(shù)據(jù)

為使結(jié)構(gòu)具有代表性，設(shè)計參數(shù)按本地區(qū)實際工程資料選用。偏心支撐高強鋼框架，結(jié)構(gòu)地上部分5層，層高均為3 m；橫、縱向單跨，跨度均為6 m；樓板采用100 mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，耗能梁段長1 200 mm，抗震設(shè)防烈度7度(0.1g)；利用軟件的自動優(yōu)化截面設(shè)計功能，模型示意圖如圖1所示，截面詳細尺寸見表1。

表1 構(gòu)件截面尺寸

鋼構(gòu)件塑性鉸選用ETABS2013軟件中的默認鉸屬性，分別在距構(gòu)件兩端0.1倍和0.9倍處設(shè)置，其中框架柱為P-M1-M2鉸，耗能梁和框架梁為M3鉸，支撐為P鉸。

圖1 結(jié)構(gòu)三維模型

在定義Pushover工況前，需定義一個非線性的重力荷載工況，Pushover工況從加載重力荷載后開始計算。本例中采用振型荷載和均勻加速度荷載，方向可以自由指定，在設(shè)置時會有一個比例系數(shù)的選取，比例系數(shù)在位移控制情況下指的是相對比例，不代表荷載的絕對數(shù)值。

首先運行分析和設(shè)計，采用自動截面選取功能時，務(wù)必反復(fù)計算，使結(jié)構(gòu)分析截面與設(shè)計截面保持一致，且截面校核通過，才能繼續(xù)運行Pushover工況。

3 分析結(jié)果討論

經(jīng)過上述一系列操作后，可以得到整體分析結(jié)果。圖2～3是結(jié)構(gòu)在兩種工況下的Pushover曲線。

圖2 均布加載Pushover曲線圖

圖3 振型加載Pushover曲線

圖2～3中兩種工況加載下的性能點具體數(shù)據(jù)詳見表2。

結(jié)構(gòu)性能點目標位移程序取結(jié)構(gòu)高度的1/25，表2中的性能點位移遠低于限值。

從表2中可以看到，結(jié)果的各項指標均滿足規(guī)范要求。兩種工況下的單榀偏心支撐高強鋼框架的塑性鉸分布情況如圖4～5所示，圖例中IO代表立即使用，點LS代表生命安全，點CP代表防止倒塌。

4 結(jié)語

偏心支撐組合高強鋼結(jié)構(gòu)形式，耗能連梁采用普通鋼材，而框架梁、柱等非耗能構(gòu)件采用高強度鋼材，這種結(jié)構(gòu)體系不僅有效降低了構(gòu)件截面，而且有助于高強度鋼材的應(yīng)用推廣。

表2 性能點數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖4 均布加載結(jié)構(gòu)塑性鉸分布圖

圖5 振型加載結(jié)構(gòu)塑性鉸分布圖

通過上述的軟件分析，偏心支撐高強鋼框架在進入彈塑性狀態(tài)時，耗能梁段優(yōu)先出現(xiàn)塑性鉸，而其他構(gòu)件處于彈性狀態(tài)，且耗能梁段有便于震后修復(fù)。高強材料因為自身的材料特性，諸如伸長率和強屈比，不滿足規(guī)范要求，很少被應(yīng)用到實際結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工，有了這種“二重抗震”體系的引入，擴大了高強鋼的應(yīng)用范圍，供設(shè)計人員參考選用。

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Pushover Analysis of High Strength Steel Frame with Eccentric Brace Based ETABS

WANG Yu-ying，et al.

(SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

Since the introduction of Pushover analysis into China，this method has been paid attention by most of structural designers.This method can be used to analyze the static nonlinear characteristics of structures.In the EATBS2013 program，Pushover method is mainly based on the FEMA440 method mentioned in the foreign specification.In this paper，the ETABS2013 finite element analysis software is used to establish the three-dimensional model of eccentrically braced composite high-strength steel frame after the program automatically optimizing the cross-section，and its internal force deformation ，and the plastic hinge distribution under static load in elastic-plastic stage are analyzed.

Pushover；ETABS2013；eccentric bracing；high-strength steel frame

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.002

2016-11-25

王玉英(1967-)，女(漢)，長春，副教授 主要研究鋼結(jié)構(gòu)。

TU391

A

1009-8984(2016)04-0005-03