組合結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

吳 濤，韋人偉

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230601;2.英國(guó)倫敦大學(xué) 土木工程學(xué)院)

組合結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

吳 濤1*，韋人偉2

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230601;2.英國(guó)倫敦大學(xué) 土木工程學(xué)院)

運(yùn)用SAP 2000有限元結(jié)構(gòu)分析軟件建立結(jié)構(gòu)的線性三維模型，并分別對(duì)加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)模型及加層無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)在模態(tài)分析和振型反應(yīng)譜分析下得到的關(guān)于自振周期、樓層位移和層間剪力的數(shù)據(jù)，得出了相關(guān)結(jié)論。結(jié)論表明：加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)于加層無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)。

自振周期；反應(yīng)譜分析；樓層位移；層間剪力；

面對(duì)有限的土地資源以及經(jīng)濟(jì)成本等多方面因素的制約，對(duì)新型建筑結(jié)構(gòu)的研究迫在眉睫。組合結(jié)構(gòu)正是一種十分重要的新型建筑結(jié)構(gòu)，它不僅可以增加土地資源的有效利用率，而且可以節(jié)約成本，更為建筑行業(yè)提供一個(gè)全新的研究方向[1]。為研究加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)和加層無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)的抗震性能，本文運(yùn)用SAP 2000有限元結(jié)構(gòu)分析軟件[2]分別對(duì)上述2種組合結(jié)構(gòu)建立模型，進(jìn)行模態(tài)和振型反應(yīng)譜分析，得到2種結(jié)構(gòu)的自振周期、樓層位移、層間剪力的相關(guān)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，分別得出加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)與加層無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)的抗震效果[3]。

1 模型算例

模型選取主體為8層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)+加層為2層鋼結(jié)構(gòu)的組合體系[4]，主體框架結(jié)構(gòu)與加層鋼結(jié)構(gòu)間柱腳采用剛接，層高3.6 m，建筑總高度36 m。縱向總長(zhǎng)度4.2×8=33.6 m，橫向總長(zhǎng)度6+3+6=15 m，一層梁、板采用C30強(qiáng)度等級(jí)，板厚取120 mm，柱采用C35強(qiáng)度等級(jí)，選用HRB335為受力鋼筋，箍筋選用HPB235級(jí)鋼筋。加層鋼結(jié)構(gòu)梁柱采用Q235型號(hào)的工字鋼，截面尺寸分別取HN500×250×10×10、HW500×250×10×10，通過(guò)SAP 2000有限元結(jié)構(gòu)分析軟件建立的2種結(jié)構(gòu)模型，如圖1、圖2所示。

(a)三維模型圖

(b) 側(cè)立面圖圖1 加層無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)有限元模型

(a)三維模型圖

(b) 側(cè)立面圖圖2 加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)有限元模型

2 模態(tài)分析

在結(jié)構(gòu)的地震分析中，通常使用的有效分析方法就是模態(tài)分析法。選取的模型是10層的組合結(jié)構(gòu)，在地震作用下的變形復(fù)雜多樣，所以通過(guò)對(duì)2種結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，從而了解結(jié)構(gòu)的周期、頻率等動(dòng)力特性的舉措是必不可少的。

本文選用SAP 2000中Ritz向量法分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析，得到了2種結(jié)構(gòu)的自振周期及頻率等數(shù)據(jù)。通過(guò)分析2種模型的前10階振型周期(見(jiàn)圖3)，來(lái)對(duì)比結(jié)構(gòu)的固有特性。

圖3 2種結(jié)構(gòu)的前10階自振周期對(duì)比

由圖3可知：

1)加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)的自振周期均小于加層無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)，并且加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)的第1自振周期比加層無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)減少了12.3%。

2)2種結(jié)構(gòu)均在前3階振型周期的變化幅度較大，但從第4階振型后，周期變化的趨勢(shì)較為平緩。

3)模態(tài)分析下的周期特性說(shuō)明，由于加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)的剛度較加層無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)大，導(dǎo)致前者的自振周期比后者有所減小，有效避開(kāi)了所處地區(qū)的卓越周期。

3 振型反應(yīng)譜分析

GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]規(guī)定：在多遇地震下，結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)應(yīng)由所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度、設(shè)計(jì)地震分組等因素確定。反應(yīng)譜分析法是近似計(jì)算出結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)最大值的方法，本文模型算例屬于豎向不規(guī)則的組合結(jié)構(gòu)，可用振型反應(yīng)譜法進(jìn)行模擬計(jì)算和分析，得到結(jié)構(gòu)模型的樓層位移包絡(luò)圖和層間剪力圖，如圖4、圖5所示。

由圖4—5可知：

1)加層無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)最大樓層位移為37.28 mm；加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)最大樓層位移為31.68 mm。加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)樓層位移均小于加層無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)，因此，加層有支撐組合結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度大于加層無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)。

2)加層有、無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)均在第2樓層及第11樓層(鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)交接處)發(fā)生了跳躍性很大的樓層位移，說(shuō)明第2樓層及第11樓層是結(jié)構(gòu)的薄弱層。

3)2種結(jié)構(gòu)模型層間剪力的變化量是逐層減小的，且變化趨勢(shì)較為緩和，但均在第10和第11層剪力的變化量較大，因此需要重點(diǎn)關(guān)注這2層的調(diào)整和加固。

圖4 2種結(jié)構(gòu)樓層位移包絡(luò)

圖5 2種結(jié)構(gòu)層間剪力

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用SAP2000有限元結(jié)構(gòu)分析軟件建立結(jié)構(gòu)的線性三維模型，并分別對(duì)加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)模型及加層無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了周期分析、振型反應(yīng)譜分析。通過(guò)比較2種組合結(jié)構(gòu)的抗震性能，得出結(jié)論：

1)在結(jié)構(gòu)的模態(tài)動(dòng)力特性分析下，加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)的自振周期比加層無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)有所降低，這是由于加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)有了支撐的加入，但總的來(lái)說(shuō)，降低的幅度并不是很大。

2)加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)可以有效避免所在地區(qū)場(chǎng)地的卓越周期，減輕地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞性。

3)2種結(jié)構(gòu)在振型反應(yīng)譜分析下，加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)在抗震中樓層最大位移較加層無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)小，并且2種結(jié)構(gòu)均在第2樓層及第11樓層產(chǎn)生較大的位移變化量，形成了薄弱層，所以在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)多注意這兩層的驗(yàn)算和加固。

4)由于加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)引入了支撐這個(gè)元素，使得其在地震作用中比加層無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)更具有穩(wěn)定性。

綜上，加層有支撐的組合結(jié)構(gòu)較加層無(wú)支撐的組合結(jié)構(gòu)抗震性能更具有優(yōu)勢(shì)。

[1] 鄭文忠,王英,劉鐵,等.對(duì)既有房屋套建加層改造的認(rèn)識(shí)與思考[J].工業(yè)建筑,2005,35(4):1-5.

[2] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司.SAP2000中文使用指南[M].北京:人民交通出版社,2012.

[3] 雷宏剛,秦紀(jì)平.輕鋼結(jié)構(gòu)增層可行性及相關(guān)問(wèn)題研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2001,32(4):331-334.

[4] 劉昱,高小旺,張濤.基于SAP2000的輕鋼加層結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[J].工程抗震與加固改造,2008,30(6):100-104.

[5] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

Analysis of Seismic Performance for Composite Structures

WUTao1*,WEIRenwei2

(1.Department of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601,China; 2.Department of Civil Engineering, University of London)

The authors used a finite element analysis software SAP 2000 to establish 3d model for a structure and the combination of the support structure model for coating layer and an unsupported combination structure model were analyzed. By comparing the two kinds of structures in modal analysis and vibration modal response spectrum analysis of natural vibration period, under the floor displacement, Interlaminar shear data was obtained,and the relevant conclusions were drawn. The results indicated that seismic performance for add layer with the combination of the support structure was superior to add layer without the combination of the support structure.

periodic analysis; response spectrum analysis; floor displacement; interlaminar shear

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.003

2016-11-08

安徽省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目“非規(guī)則結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性與抗震減震研究”(KJ2014ZD07)

吳濤(1991— )，男(漢族)，安徽巢湖人，在讀碩士研究生，研究方向：抗震減災(zāi)，通信作者郵箱：452820438@qq.com。 韋人偉(1991— )，男(漢族)，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。

TU973+.23

A

2095-5383(2016)04-0009-03