新型SRC框架-支撐結構體系抗震性能研究

沈小璞,　陳宏瑞,　張紅亞

(安徽建筑大學 土木工程學院,安徽 合肥　230022)

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新型SRC框架-支撐結構體系抗震性能研究

沈小璞,陳宏瑞,張紅亞

(安徽建筑大學 土木工程學院,安徽 合肥230022)

文章采用振型分解反應譜理論和彈性動力時程分析法,利用SAP2000對新型SRC框架-支撐結構體系進行數(shù)值模擬分析與研究。研究分析發(fā)現(xiàn),結構體系的抗震受力性能與框架-剪力墻結構體系相似,豎向受力單元系統(tǒng)中框架柱截面比預估截面還可以減小23.5%,而對于抗震單元系統(tǒng)則需在截面和層高突變的位置進行加強。研究結果表明,新型SRC框架-支撐結構體系各項抗震性能指標滿足我國的現(xiàn)行建筑抗震設計規(guī)范與高層建筑混凝土結構技術規(guī)程中規(guī)定要求,且抗震性能好,其經濟效益也得到提高。

勁性混凝土框架;鋼支撐;時程分析;抗震單元;豎向受力單元;軸壓比

本文以創(chuàng)新的視角來分析和研究工程結構體系在建筑結構設計中的抗震性能和受力行為,把結構體系分為結構抗震單元系統(tǒng)(以下簡稱“抗震單元”)和結構豎向受力單元系統(tǒng)(以下簡稱“豎向單元”)。抗震單元系統(tǒng)由勁性混凝土框架+鋼支撐[1]構成,勁性混凝土框架指型鋼混凝土梁、柱，主要承受地震作用。采用型鋼+鋼筋作為基本骨架,充分發(fā)揮型鋼與混凝土各自的優(yōu)越性。而豎向受力單元則由普通鋼筋混凝土框架構成,框架是由鋼筋混凝土梁、柱構成。豎向受力單元中鋼筋混凝土柱截面是按文獻[2]要求的最小軸壓比確定,在滿足抗震構造要求的基礎上盡量減小柱子截面,從而達到節(jié)約材料的目的。本文采用振型分解反應譜理論和彈性動力時程分析法[3],并通過利用SAP2000有限元軟件[4-6]對新型SRC框架-支撐結構體系進行數(shù)值模擬分析與研究,并遵循文獻[1，7]的要求,對抗震單元系統(tǒng)中勁性混凝土框架-鋼支撐結構展開抗震受力性能分析,研究在地震作用下結構的抗震行為能力。研究分析發(fā)現(xiàn),抗震單元承擔由地震作用所產生的大部分水平剪力及本身所承擔的豎向荷載,而豎向受力單元則主要承擔結構構件豎向荷載,新型SRC框架-支撐結構體系的抗震受力性能與框架-剪力墻結構體系非常相似,且豎向受力單元中框架柱截面比預估截面還可以減小23.5%。通過分析確定薄弱位置,需在截面和層高突變的位置進行加強。研究結果分析表明,新型工程抗震結構體系在地震作用下各項抗震性能指標滿足文獻[1，5]的要求,且抗震性能好,其經濟效益也得到提高,是非常適應我國現(xiàn)階段建筑業(yè)“綠色、環(huán)保、低碳”發(fā)展的一種結構體系形式。

1　模型建立與參數(shù)確定

1.1結構概況

該工程為高層民用公共建筑(公租房),共33層,除底層層高4.5m外其余各層均為3.0m,結構總高度100.5m。建筑安全等級二級,抗震設防類別丙類,抗震等級二級。工程所在場地土類型為中硬土,場地類別Ⅱ類,抗震設防烈度7度,設計基本地震加速度為0.1g,設計地震分組為第1組,特征周期0.35s,結構的阻尼比0.045。二維結構平面和三維空間布置如圖1、圖2所示。

圖1　平面布置圖

圖2　三維視圖

1.2模型建立

利用SAP2000中的桿單元模擬工程實際中的梁、柱和支撐,而樓板的模擬采用的是膜單元。對于抗震單元與豎向受力單元相連處按鉸接處理,抗震單元與抗震單元、豎向單元與豎向單元按剛性連接。

1.3參數(shù)確定

結構體系的抗震單元為型鋼混凝土框架+鋼支撐(中心支撐形式),豎向單元為普通鋼筋混凝土框架。型鋼混凝土框架中的梁、柱截面尺寸根據(jù)文獻[8]進行確定,見表1所列。普通鋼筋混凝土框架柱截面尺寸依據(jù)文獻[1]的軸壓比,滿足構造要求即可。

鋼材選用Q235,縱向受力鋼筋采用HRB400鋼筋,箍筋采用HRB335鋼筋。樓板厚度1～32層為170mm,頂層為190mm，所用混凝土采用C30。

柱、梁混凝土材料的選用如下：1～5層C60，6～20層C50，21～33層C40。

表1　勁性框架-支撐結構構件　mm

1.4模擬單元的選擇

不同單元選擇不同榀的框架,當對抗震單元分析時,X向選用B軸線框架,如圖3a所示；Y向選用1軸線框架,如圖3b所示。

當對豎向受力單元分析時,X向選用C軸線框架,如圖3c所示；Y向選用5軸線框架,如圖3d所示。

型鋼混凝土梁、柱截面形式如圖4所示。

(a)B軸(b) 1軸(c)C軸(d) 5軸

圖3軸線框架

圖4　型鋼混凝土梁、柱截面示意圖

2　理論分析方法

2.1剪切剛度的計算

支撐等效剪切剛度計算簡圖如圖5所示。圖5中，T=±C/(2B)。

斜支撐抗剪剛度計算公式[9]為:

Cd=2B2HEAl/C3

(1)

(2)

其中,Al為斜支撐的截面面積;E為鋼材的彈性模量;C為斜撐長度。

框架的抗剪剛度Cf為:

Cf=HDc

(3)

柱的側移剛度Dc為：

(4)

其中,Kb、Kc均為線剛度。

則等效剪切剛度為:

(5)

圖5　支撐等效剪切剛度計算簡圖

2.2振型反應譜分解法

SAP2000中振型求解采用Ritz向量[10]分析方法,按照文獻[7]的要求,采用振型分解反應譜方法時,考慮扭轉耦聯(lián)振動對結構的影響,采用規(guī)范推薦的完全二次振型組合(completequadraticcombinatin,CQC)方法進行振型組合[4]。

2.3時程動力分析法

地震波時程函數(shù)曲線如圖6所示。

圖6　EL-Centro NS 時程函數(shù)

彈性動力時程分析[11-12]是一種直接動力分析方法,作為補充計算。采用的地震波為EL-CentroNS波,時間間隔0.02s,峰值加速度341.7cm/s2,查得抗震規(guī)范多遇地震作用下時程加速度峰值應取Fm,在實際輸入程序中的時程曲線函數(shù)要與文獻[2]要求相一致,因此要對地震波時程函數(shù)進行調整,調整比例系數(shù)A=35/341.7=0.108。

3　分析比較

3.1整體結構分析

3.1.1側向剪切剛度

通過分析比較可知,X方向抗震單元的側向剪切剛度與豎向單元的側向剪切剛度的比值為17.22～36.32,Y方向抗震單元的側向剪切剛度與豎向單元的側向剪切剛度的比值為8.52～26.93,結果表明,抗震單元的剪切剛度遠大于豎向單元,從每一榀框架的抗剪剛度計算結果可以看出抗震單元明顯優(yōu)于豎向單元,見表2所列。

表2　剪切剛度計算結果

3.1.2各樓層水平地震剪力分析

在振型分解反應譜分析下,結構在X方向、Y方向的剛度是均勻的。當在彈性動力時程分析時,由于抗震單元和豎向單元剛度的不同,力的大小和分布也不同。振型分解反應譜分析的結果看不出結構的薄弱層位置,而彈性動力時程分析可以看出在X、Y方向14～23層剪力開始變大,如圖7所示,因此中間樓層應進行部分加強。

圖7　水平地震作用下各樓層剪力

3.1.3結構周期分析

振型和周期數(shù)據(jù)以及質量參與系數(shù)[13]見表3所列。其中UX、UY、RZ分別代表在X、Y、Z方向的質量參與系數(shù)所占百分比。

從表3中得到,T3/T1=0.665<0.9,滿足規(guī)范要求,同時,計算振型數(shù)應使各振型參與質量不小于總質量[14]的90%。因此,計算時至少計算前6振型。

表3　周期計算結果及質量參與系數(shù)

3.1.4樓層位移

樓層位移如圖8a所示,由圖8a可知,樓層下部結構為彎曲變形,上部結構為剪切變形,整體結構為彎剪型變形。樓層位移角如圖8b所示,由圖8b可知,在層高變化以及樓層中柱的截面有變化的位置,其位移角都有所改變。結果表明,由于勁性框架與鋼支撐協(xié)同工作,在下部樓層因框架支撐結構水平位移小,它限制框架的變形,使框架支撐部分(抗震單元)承擔了大部分剪力;上部樓層則相反,結構的水平位移越來越大,而框架部分(豎向單元)的變形反而小,框架除承受部分剪力(較小)外,還要負擔拉回框架支撐結構變形的附加剪力。

圖8　樓層位移和位移角

3.2單元系統(tǒng)分析

(1) X方向抗震單元與豎向受力單元承擔的水平剪力。對抗震單元(B軸線)和豎向單元(C軸線)的分析如圖9所示,由圖9可以看出,抗震單元承擔的剪力大于豎向單元,特別是底部20層。當樓層柱截面變化時,剪力也隨之變化,并影響相鄰的2層,即沿豎向剪切剛度變化時,造成樓層剪力也跟著截面尺寸的改變而改變。因此,應對樓層抗側力構件進行加強。從彈性時程分析中可以看出加強柱截面尺寸變化的樓層(6、21層)及相鄰2層(5、7層,20、22層)。對于豎向單元,其本身剛度較小,底部受到剪力影響較大,反映為剪力在底部5層比較離散,因此這部分柱子應加強構造措施。另外,結構體系在30～33層處抗震單元承擔的剪力小于豎向單元,鋼支撐在抗震單元中能吸收水平地震能量。

圖9　X方向地震作用的水平剪力

(2) Y方向抗震單元與豎向受力單元承擔的水平剪力。對抗震單元(1軸線)和豎向受力單元(5軸線)的分析如圖10所示,由圖10可看出,截面尺寸改變,剪力變化較明顯。

從振型分解反應譜分析中可以看出,整個結構體系1、5軸線的層間剪力較均勻改變;時程分析時發(fā)現(xiàn)結構的薄弱層為第6、20層以及相鄰的上下層(5層、7層,19層、21層),應進行加強。由圖10還可以看出，混凝土柱子對截面變化的靈敏性高于型鋼混凝土柱,在時程分析時更加明顯。從而反映出在抵御地震作用中抗震單元的抗震性能明顯高于豎向單元。

3.3型鋼混凝土柱與混凝土柱的單一構件分析

3.3.1X方向地震作用下構件承擔的剪力

X方向地震作用的構件水平剪力如圖11所示。圖11a表明，抗震單元在25～33層剪力小于豎向單元,使得型鋼混凝土柱所受的剪力小于混凝土柱;從圖11b可以看出,B、C軸線的混凝土柱水平剪力相差不大,對于抗震單元中型鋼混凝土柱,由于支撐存在使其上部的受力均小于混凝土柱,上述分析表明支撐的存在能大大地降低地震作用的影響。在第6、21層剪力出現(xiàn)突變,說明構件的截面尺寸大小影響剪力的分配,尤其是相鄰2層的剪力分配。

圖11　X方向地震作用的構件水平剪力

3.3.2Y方向地震作用下構件承擔的剪力

Y方向地震作用的單一構件水平剪力如圖12所示。由圖12可知,在截面變化的部位,剪力出現(xiàn)較明顯突變,說明剪力的分配與柱子的截面尺寸有關。圖12a表明,抗震單元所分擔的剪力小于豎向單元,由于抗震單元中支撐的存在,能較好地吸收部分地震力,在彈性階段支撐[15]的第1道防線較好地發(fā)揮作用。圖12b表明,型鋼混凝土柱對截面尺寸改變的靈敏性小于混凝土柱,由于底層柱的離散性較大,可以得出型鋼混凝土受剪承載力對層高有較大的敏感性。

圖12　Y方向地震作用的單一構件水平剪力

4　柱抗剪承載力與軸壓比分析

框架柱剪跨比[16]計算公式為:

(6)

根據(jù)SAP2000計算結果得λ=4.3>2,則在地震作用下,框架梁柱承載力應符合文獻[5]的下列要求。

(1) 對于型鋼混凝土柱，有

(0.2×0.87×27.5×103×1×0.94)/0.85=

5 291.647kN

(7)

(2) 對于普通混凝土柱，有

27.5×103×0.85×0.81)/0.85=

3 875.85kN

(8)

由(7)式、(8)式與SAP2000計算結果比較，對于豎向單元,當X方向地震作用時,混凝土柱最大剪力為2 523.002kN,當Y方向地震作用時,混凝土柱最大剪力為2 017.117kN,均小于規(guī)范要求的抗剪承載力3 875.85kN;對于抗震單元,當X方向地震作用時,型鋼混凝土柱最大剪力為848.142kN,當Y方向地震作用時,型鋼混凝土柱最大剪力為2 387.636kN,均小于規(guī)范要求的抗剪承載力5 291.647kN;柱的受剪承載力滿足規(guī)范要求。

同理可知,對于柱子軸壓比驗算[17]取全部柱子中軸力最大的截面進行驗算，即F軸線與4和6軸線相交的混凝土柱,可得:

0.488<0.9。

其結果遠小于規(guī)范所給的允許值,故對于豎向單元中的混凝土截面尺寸還可以減小,仍能滿足實際工程需要。

對于豎向單元柱子,通過軸壓比的驗算,反算截面尺寸為:

豎向單元柱子截面尺寸可以取650mm,柱子截面尺寸可減小B′=(0.85-0.65)/0.85=0.235,即減少23.5%。由此可知,該結構體系的經濟效益會有很大程度的提高,材料用量的減少,也是綠色節(jié)能減排的重要標志。

5　結　　論

(1) 該結構體系具有較好的經濟和使用效益,利用較少的鋼材滿足抗震性能的要求。

(2) 抗側移剛度分析中,抗震單元的剛度遠大于豎向單元，該結構在水平地震作用下的位移變形為彎剪型。

(3) 在X方向地震作用下,抗震單元吸收地震能量比豎向單元大。剪力的大小與截面尺寸和樓層層高有關,尤其是影響相鄰2層的剪力結果。在彈性受力階段,支撐是第1道防線,抗震單元吸收的能量較好地傳遞給支撐。

(4) Y方向在地震作用下,抗震單元分擔的剪力為豎向單元的1～11倍,但由于第1道防線的作用,支撐的作用使得上部結構剪力結果較小,相應地減小上部幾層柱子的截面尺寸,從而降低材料用量,達到經濟效益。

(5) 單一構件(型鋼混凝土柱與混凝土柱)的分析結果表明,不同的截面形式、層高以及樓板的變化都能影響抗側移構件的抗震性能。

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(責任編輯張镅)

StudyofseismicperformanceofanewSRCframe-bracestructuresystem

SHENXiaopu,CHENHongrui,ZHANGHongya

(SchoolofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China)

Basedonthemode-superpositionresponsespectrummethodandtheelastictimehistoryanalysis,anewsteelreinforcedconcrete(SRC)frame-bracestructuresystemwassimulatedandanalyzedbyusingSAP2000.Theresultsshowthattheseismicbehaviorofthestructuresystemissimilartothatoftheframe-shearwallstructuresystem.Theframecolumnsectionoftheverticalloadunitsystemcanbereducedby23.5%comparedtotheassumedsection.Fortheseismicunitsystem,thesectionandstoryheightmutationpositionsshouldbereinforced.ItisshownthattheseismicperformanceindexofthenewSRCframe-bracestructuremeetstherequirementsoftheCodeforSeismicDesignofBuildingsandTechnicalSpecificationforConcreteStructuresofTallBuildinginChina.Thestructuresystemhasgoodseismicperformanceandpromotestheeconomicbenefits.

steelreinforcedconcrete(SRC)frame;steelbrace;timehistoryanalysis;seismicunit;verticalloadunit;axialcompressionratio

2016-01-21；

2016-03-23

國家自然科學基金資助項目(51541806);安徽省自然科學基金資助項目(090414272X)

沈小璞(1957-),男,江蘇啟東人,博士,安徽建筑大學教授,博士生導師;

張紅亞(1964-),男,安徽滁州人,博士,安徽建筑大學教授，碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.08.021

TU375.4

A

1003-5060(2016)08-1110-07