鋼框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究

文/鄭永和 浙江百能科技有限公司 浙江杭州 310000

隨著建筑物高度的增加，特別對于高層建筑，水平荷載逐漸取代了豎向荷載的核心位置，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制因素，因此，抗側(cè)力構(gòu)件的選擇在高層建筑中變得尤為重要。樓層數(shù)的增加導(dǎo)致了傳統(tǒng)的抗側(cè)力構(gòu)件已經(jīng)不能滿足高層建筑對于水平承載力及耗能的需求。鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。具有普通框架結(jié)構(gòu)布置靈活、建筑自重輕、房屋可利用率高、構(gòu)件易標(biāo)準(zhǔn)化、施工周期短、綠色環(huán)保、科技含量高適用范圍廣等優(yōu)點，同時在處于抗震設(shè)防高烈度的地區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)材料本身延性好能夠吸收更多的外加能量因而抗震性能優(yōu)于混凝土框架，從而大量應(yīng)用于多高層建筑中。但是純鋼框架又有一個致命的弱點，就是抗側(cè)向剛度性能低，水平荷載作用下變形較大，難以滿足設(shè)計要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，除了要考慮建筑自重、樓面人員和設(shè)備所帶來的豎向荷載，還要考慮風(fēng)荷載和地震的作用所帶來的水平荷載。這些自然界的外加荷載，對于結(jié)構(gòu)的破壞是很嚴(yán)重的。所以，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時也要采取必要措施來這類解決問題。解決這問題的最根本是在結(jié)構(gòu)在選型時，是否選擇了合適的抗側(cè)力體系來抵抗側(cè)向荷載的作用。

1、屈曲鋼板墻抗剪理論分析（有限元模型 ）

在對屈曲鋼板剪力墻進(jìn)行數(shù)值分析時，將突出研究對象并使問題簡化，采用了三種假設(shè)方法：1）框架梁、柱節(jié)點鉸接；2） 框架梁、柱的抗彎剛度無限大；3） 忽略框架梁、柱的軸向變形的影響。三種假定方法的目的在于分析內(nèi)嵌鋼板本身的抗剪性能：1） 采用梁、柱鉸接模型，以剔除抗彎框架參與抗側(cè)的影響；2） 梁、柱彎曲剛度無限大是為了給內(nèi)嵌鋼板的拉力場提供足夠的錨固能力；3） 考慮到結(jié)構(gòu)中框架梁一般與樓板相連，因而忽略橫梁軸向變形；忽略柱的軸向變形是為屏蔽傾覆力矩的影響，著重分析內(nèi)嵌鋼板的剪切性質(zhì)。

通過進(jìn)行有限元動力分析，比較分析得到其在動力特性（周期、振型等方面）的變化，總結(jié)結(jié)構(gòu)在動力性能方面的變化；并通過進(jìn)一步調(diào)整影響其工作機能的相關(guān)參數(shù)研究內(nèi)填鋼板支撐剪力墻鋼框架結(jié)構(gòu)在小震、大震等不同工作狀況下的抗震機能。

2、非加勁鋼板剪力墻滯回性能

加勁薄板變形，滯回曲線捏攏現(xiàn)象明顯，在零點位移附近出現(xiàn)“零剛度”甚至“負(fù)剛度”效果。非加勁薄板的這種現(xiàn)象是由非外荷載反向作用時，拉力帶反向受壓，原先受壓區(qū)域?qū)⑦^渡成拉力帶區(qū)，每級荷載下出現(xiàn)了面外較大的變形累積，形成不可恢復(fù)的塑性變形，面外變形發(fā)展過程。

非加勁板滯回變形三種形式曲線較為飽滿。在大側(cè)移情況下，不論是非加勁厚板還是非加勁薄板，面外位移在反復(fù)荷載作用r呈單邊發(fā)展趨勢。因此，鋼板墻剛度衰減不僅與板的塑性發(fā)展過程有關(guān)，而且與板面外大量變形有關(guān)。

反復(fù)荷載下板中面塑性應(yīng)變發(fā)展規(guī)律與板高厚比五變化規(guī)律相吻合，方形厚板彈性屈曲荷載高，后屈曲的波帶較寬，最大塑性應(yīng)變發(fā)生在板主對角線和1/4跨度處t塑性應(yīng)變較大。方板薄板彈性屈曲荷載低，后屈曲的波帶寬度窄，鋼板墻剪切變形主要集中在板的對角線上，整塊板屈服。

3、結(jié)構(gòu)抗震性能模型分析

采用SAP2000進(jìn)行建模，將結(jié)構(gòu)模擬成無限剛度，不考慮材料非線性和幾何線性和不考慮圍護(hù)構(gòu)件對主體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)構(gòu)模擬計算有結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)造特點、分析精度要求和計算容量來確定。材料阻尼選8%，結(jié)構(gòu)質(zhì)量有結(jié)構(gòu)方案和材料特征有程序自動計算。樓面荷載為2kN/m2計算。通過模態(tài)分析，得到框架各階頻率模型。分析不同頻率下產(chǎn)生的應(yīng)力、變形和位移，再利用結(jié)構(gòu)振動模態(tài)分析結(jié)構(gòu)動力特征。得到各樓層的最大位移對結(jié)構(gòu)從強到及變形兩方面進(jìn)行安全性檢驗。

4、塑性抗震性能分析

用動力分析作為各種簡化計算方法的比較標(biāo)準(zhǔn)。按照地震波數(shù)據(jù)輸入地面運動，通過積分運算，求得在地面加速度隨時間變化期間內(nèi)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形隨時間變化的全過程，相比彈性分析中的振型分解反應(yīng)譜法和POA方法。對于質(zhì)量與剛度明顯不對稱、不均勻的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮雙向水平振動和樓面扭轉(zhuǎn)的影響：此時，樓面除有質(zhì)量mi，（mi，為結(jié)構(gòu)第i層的等效質(zhì)量）外，還有轉(zhuǎn)動慣量Ij對振動產(chǎn)生影響，這相當(dāng)于協(xié)同工作計算法考慮了樓面轉(zhuǎn)動時的情況。

利用PKPM結(jié)構(gòu)分析軟件，在PMCAD中結(jié)合實際工程的建筑圖紙建立模型。

SATWE模塊會自動提取PMCAD所需要的數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況進(jìn)行抗震分析。結(jié)合動力學(xué)理論，研究對比各個結(jié)構(gòu)的層間位移、平均位移、層間位移角，從而具體分析每種抗側(cè)力體系的實際抗側(cè)力性能，可能影響性能的一些外在因素。

通過建模模擬試驗研究分從理論方面對結(jié)構(gòu)滯回性能進(jìn)行分析，進(jìn)一步獲知內(nèi)填鋼板支撐剪力墻結(jié)構(gòu)體系在多遇地震作用下的抗震性能及工作機理。試驗結(jié)果揭示了在單向靜力荷載性能研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了滯回性能的理論與試驗研究。理論分析結(jié)果表明，（1）鋼板墻承載力和耗能能力從高到低依次是交叉加勁板、十字加勁板和非加勁板。（2）厚擘鋼板剪力墻框架表現(xiàn)出的非線性性能是由鋼材的彈塑性引起的，薄壁鋼板剪力墻表現(xiàn)出的非彈性性能則是由對角線方向拉力帶形成及材料彈塑性引起的，該結(jié)論同樣適用于低周反復(fù)荷載F的滯回性能。

結(jié)語：

總之，建筑工程的穩(wěn)定可靠，關(guān)鍵在于鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平。在鋼框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，要格外注意其多項關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)計人員要從建筑工程的客觀實際需求出發(fā)，充分利用自身既有優(yōu)勢條件，做到最為優(yōu)化的鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

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