高層預(yù)應(yīng)力索支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

摘 要 ：對高層預(yù)應(yīng)力索支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析，研究不同布索方案和預(yù)應(yīng)力度對結(jié)構(gòu)自振周期和側(cè)移的影響規(guī)律。研究表明：方案1.1和1.2抗側(cè)剛度較大，各層最大側(cè)移值較小，且對預(yù)應(yīng)力度改變更為敏感。索負(fù)溫度下溫度變化對結(jié)構(gòu)自振周期和側(cè)移幾乎沒有影響。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力索；鋼框架；抗震性能

引言

高層預(yù)應(yīng)力索支撐鋼框架結(jié)構(gòu)是一種新的結(jié)構(gòu)形式，預(yù)應(yīng)力鋼索不僅可以降低節(jié)點(diǎn)復(fù)雜程度，更能提供較好的抗側(cè)剛度[1`2]。陳明進(jìn)行了高層預(yù)應(yīng)力高性能鋼結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系性能的研究，考慮了不同的布索方案和鋼材強(qiáng)度，但限于平面框架[3]。冉克顯進(jìn)行了高層預(yù)應(yīng)力斜撐鋼框架風(fēng)振舒適度研究[4]。該體系在空間抗震性能方面研究甚少，本文進(jìn)行彈性時程分析，為該體系的抗震研究提供依據(jù)。

1、計(jì)算模型

建立三維空間模型，底層層高4m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.3m，共25層，總高度83.2m。采用Q345鋼，索截面直徑均取60mm，結(jié)構(gòu)恒載取1 kN/m2，活載取2 kN/m2。抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g，場地類別Ⅲ類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，特征周期Tg=0.55s。圖1虛線所示為索在平面上的布置位置，變換索的布置方式時保持其位置不變。 布索方式分為兩大類，即中間兩跨布置和全跨布置，又各細(xì)分為5種方案，見圖2。

圖1 索布置位置圖

圖2 布索方案

2、 模擬結(jié)果和分析

軸向拉壓構(gòu)件（如索）的軸力[N]、截面積[A]、彈性模量[E]、應(yīng)變[ε]、伸長量[Δl]、構(gòu)件長度[l]有以下關(guān)系：

[N=E*ε*A] （1）

[ε=Δl/l=α*Δt] （2）

聯(lián)立上兩式，得

[N=E*α*Δt*A] （3）

其中[α]為材料的線膨脹系數(shù)，單位（C-1），分析中取值為1.17e-5，通過對索構(gòu)件施加一定的溫度來達(dá)到施加初始預(yù)應(yīng)拉力的效果。

2.1 模態(tài)分析

為了確定結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)即固有頻率和振型進(jìn)行了模態(tài)分析，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行后續(xù)的彈性時程分析。表1為索溫度為-10℃時，不同布索方案下結(jié)構(gòu)的前五階自振周期，從表中數(shù)據(jù)可以看出，方案1中，從方案1.1至方案1.5各階周期逐漸增大，方案2中2.3周期最小。表2為方案1改變索溫度后結(jié)構(gòu)的基本自振周期，可以看出索溫度從0℃到-10℃，基本周期有明顯的降低，其中方案1.1最顯著，索溫度從-10℃到-20℃，基本周期不再變化，見圖3。

2.2 彈性時程分析

選取El centro波，按照8度多遇地震調(diào)整加速度時程最大值為70 cm/s2，持續(xù)時間取前16秒，調(diào)整后的加速度曲線見圖4。

采用直接積分法的非線性時程分析，考慮P-Δ和大位移，阻尼比取0.02。方案1.1至1.4，在地震荷載作用下各層最大位移曲線如圖5所示，方案1.1和1.2差異較小，隨著層數(shù)的增加，側(cè)移值增加，增量變化較小，而方案1.3和1.4側(cè)移值有較明顯的增大，且整條曲線呈兩端增長較快，中間段增加緩慢的趨勢。模態(tài)分析中可知，方案1.1和1.2自振周期最小，抗側(cè)剛度較大，所以在地震荷載作用下，抗側(cè)移性能也優(yōu)異。

圖6至圖9為不同預(yù)應(yīng)力度下各方案結(jié)構(gòu)各層最大位移曲線，從圖中可以看出，增加預(yù)應(yīng)力度對提高抗側(cè)移性能有明顯效果，但索溫度在-10℃和-20℃時各層最大位移值變化很小，這與模態(tài)分析結(jié)果的規(guī)律也是一致的。四種方案中，方案1.1和1.2對預(yù)應(yīng)力度改變更為敏感，方案1.3和1.4，結(jié)構(gòu)底層對預(yù)應(yīng)力度改變不敏感。

十種布索方案中，方案1.1和1.2自振周期較小，說明抗側(cè)剛度較大，對索施加負(fù)溫施加預(yù)應(yīng)力，溫度變化不影響自振周期。時程分析中，方案1.1和1.2的抗側(cè)移性能較好，且對預(yù)應(yīng)力度改變更為敏感，即可獲得更大的抗側(cè)剛度，同時索負(fù)溫度下溫度變化對結(jié)構(gòu)側(cè)移影響很小。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 預(yù)應(yīng)力巨型支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)的 Pushover 分析[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，29（1）：90-93

[2] 唐柏鑒，顧盛. 預(yù)應(yīng)力巨型支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)側(cè)移模式研究[J].建筑科學(xué)，2010， 26（9）：57-61

[3] 陳明.高層預(yù)應(yīng)力高性能鋼結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系性能研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[4] 冉克顯.高層預(yù)應(yīng)力斜撐鋼框架風(fēng)振舒適度研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.