高層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)性能研究

朱 華 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230001）

1 工程慨況

1.1 工程簡介

本工程為一擬建于合肥市的高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，結(jié)構(gòu)型式為鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，建筑戶型為2梯4戶，對稱分布，如圖1所示。結(jié)構(gòu)高度為81m，共27層，每層建筑面積為638.5m2，建筑總面積為17239.5m2。

圖1 標準層平面圖

1.2 設計參數(shù)及荷載取值

本工程為丙類建筑，設計使用年限為50年，各設計參數(shù)及荷載取值見表1和表2所示。

設計參數(shù) 表1

荷載取值 表2

2 兩種結(jié)構(gòu)體系對比分析

2.1 結(jié)構(gòu)布置

本工程分別采用方矩鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)體系和方矩鋼管柱結(jié)構(gòu)體系進行布置。方矩鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)體系即在鋼柱中填充自密實混凝土，而方矩鋼管柱結(jié)構(gòu)體系中的鋼柱則無混凝土填充。本工程對方矩鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)體系與方矩鋼管柱結(jié)構(gòu)體系采用相同的結(jié)構(gòu)布置，如圖 2（a）、圖 2（b）所示。兩種結(jié)構(gòu)所用鋼材均選用Q345B型號，螺栓采用10.9級摩擦型高強螺栓。經(jīng)試算后，兩種結(jié)構(gòu)體系的柱截面尺寸如表3所示。

圖2 結(jié)構(gòu)布置圖

2.2 結(jié)構(gòu)分析

對兩種結(jié)構(gòu)體系采用SATWE程序進行結(jié)構(gòu)分析，由分析結(jié)果可知，兩種結(jié)構(gòu)體系的主要技術指標對比如表4所示。這兩種結(jié)構(gòu)體系的計算結(jié)果均滿足我國現(xiàn)行規(guī)范及規(guī)程的要求。由表中數(shù)據(jù)我們可以知道，方矩鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)體系和方矩鋼管柱結(jié)構(gòu)體系各項技術指標中主要的不同之處為最大層間位移角，方矩鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)體系的層間位移角明顯要小很多。由此我們可以得出，在鋼柱中灌注混凝土后使結(jié)構(gòu)的整體剛度變大了。

2.3 材料用量比較

根據(jù)PKPM軟件中對結(jié)構(gòu)材料的統(tǒng)計，可以得到方矩鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)體系的總用鋼量為1330.2t，折合成每平方米用鋼量為77.2kg/m2，方矩鋼管柱結(jié)構(gòu)體系的總用鋼量為1487.2t，合86.3kg/m2。而方矩鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)體系中鋼管柱內(nèi)所灌筑的混凝土總量約為460m3，合每平方米增加混凝土用量為0.0267m3?？梢钥闯?，方矩鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)體系相比于方矩鋼管柱結(jié)構(gòu)體系而言，混凝土用量每平米增加0.0267m3，鋼材用量每平米可減少9.1kg，柱用鋼量可減少35%左右。

主要柱截面尺寸(單位：mm) 表3

結(jié)構(gòu)性能指標對比 表4

3 結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 性能目標選取

采用靜力彈塑性法和動力非線性時程分析法對所建立的兩種結(jié)構(gòu)模型進行結(jié)構(gòu)性能的分析。由《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）（以下簡稱《抗規(guī)》）附錄M中表M.1.1-2所推薦的性能目標與層間位移角的關系，選取性能目標3做為結(jié)構(gòu)的性能目標。罕遇地震作用時，性能目標與層間位移角限值的對應關系如表5所示。

性能目標與層間位移角限值的對應關系 表5

3.2 靜力彈塑性分析

3.2.1 靜力彈塑性分析方法

靜力彈塑性（Pushover）分析的核心問題是找到結(jié)構(gòu)的性能點，其方法一般可按某種規(guī)律對結(jié)構(gòu)施加側(cè)向位或移側(cè)向力，直至結(jié)構(gòu)模型的最大平動位移或控制點位移達到設定的破壞位移為止（其中破壞位移一般可取結(jié)構(gòu)高度的1/100或2/100），從而得到結(jié)構(gòu)在側(cè)向荷載作用下的荷載-位移曲線圖，再進一步將荷載-位移曲線圖轉(zhuǎn)化為加速度-位移曲線圖，即結(jié)構(gòu)的能力譜曲線圖。然后根據(jù)條件建立目標地震作用下的需求譜曲線，將能力譜曲線和需求譜曲線畫在同一坐標系中，從而求得結(jié)構(gòu)的性能點。

3.2.2 靜力彈塑性分析結(jié)果

本工程將對方矩鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)體系和方矩鋼管柱結(jié)構(gòu)體系所建立的兩種模型分別用Midas Gen軟件進行Pushover分析。其中柱鉸布置軸力-彎矩鉸（P-M-M型鉸）、梁鉸布置彎矩鉸（My鉸）、支撐布置軸力鉸（Fx鉸），塑性鉸曲線采用FEMA骨架曲線。分別從X、Y兩個方向采用振型法進行加載。設定7度（0.1g），第1地震分組，Ⅱ類場地，罕遇地震影響的需求譜，得到兩種結(jié)構(gòu)體系下模型的性能點，如表6所示。兩種模型在結(jié)構(gòu)性能點處的最大層間位移角如表7所示。

兩種結(jié)構(gòu)體系下模型的性能點對比 表6

由表7可知，兩種結(jié)構(gòu)模型在X向加載工況下的層間位移角均比Y向加載工況下的層間位移角大。由最大層間位移角結(jié)果可知，兩種不同結(jié)構(gòu)體系下結(jié)構(gòu)的性能均能達到性能目標3的要求。且方矩鋼管柱結(jié)構(gòu)體系模型已達到性能目標2的層間位移角要求。由此可見，鋼混凝土柱結(jié)構(gòu)體系模型與鋼柱結(jié)構(gòu)體系模型相比，后者的抗震性能相對較好。

兩種結(jié)構(gòu)體系下模型的性能點處結(jié)構(gòu)最大層間位移角對比 表7

以X向加載工況為例，兩種結(jié)構(gòu)模型在性能點處塑性鉸的發(fā)展情況如圖3和圖4所示。由圖3、圖4可知，在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)塑性鉸均先出在梁和支撐上，柱均無塑性鉸的出現(xiàn)。同時從結(jié)構(gòu)性能點處塑性鉸的布置情況看出，方矩鋼管柱結(jié)構(gòu)體系模型相對于方矩鋼管-混凝土柱結(jié)構(gòu)體系模型而言，具有更大的安全儲備。

圖3 罕遇地震下方矩鋼管-混凝土柱結(jié)構(gòu)體系模型性能點處塑性鉸狀況

圖4 罕遇地震下方矩鋼管柱結(jié)構(gòu)體系模型性能點處塑性鉸狀況

3.3 動力非線性時程分析

3.3.1 動力非線性時程分析參數(shù)

PUSHOVER分析還僅是一種擬動力分析，還不能完全反映結(jié)構(gòu)在實際地震波作用下的抗震性能。采用Midas-Gen軟件對兩種結(jié)構(gòu)模型進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，根據(jù)規(guī)范要求，選取了兩條實際強震波和一條人工波對兩種結(jié)構(gòu)模型進行彈塑性時程分析。兩條實際強震波分別為1940年記錄的El Centro波和1952年記錄的Taft波。根據(jù)《抗震規(guī)》中表5.1.2-2規(guī)定，將3條地震波的加速度峰值均調(diào)整到7度（0.1g）罕遇地震作用下的220cm/s2，分別從X向和Y向?qū)Y(jié)構(gòu)加載進行動力時程分析。其中，柱定義軸力-彎矩鉸（Fz軸力鉸和My、Mz彎矩鉸），采用隨機硬化的滯回曲線模型；梁定義彎矩鉸（My方向），采用雙折線的滯回曲線模型；支撐定義軸力鉸（Fz方向），采用雙折線的滯回曲線模型，動力分析方法選擇直接積分法，以0.02s為時間步長進行分析。

3.3.2 動力非線性時程分析結(jié)果

兩種結(jié)構(gòu)模型在3條地震波作用下的最大層間位移角如表8所示。由表8可知，兩種結(jié)構(gòu)模型均滿足性能3的層間位移角限值規(guī)定，且接近性能目標2的層間位移角限值規(guī)定，方矩鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)體系模型的層間位移角均比方矩鋼管柱結(jié)構(gòu)體系模型的層間位移角略小。

兩種結(jié)構(gòu)體系下模型的最大層間位移角對比 表8

X向地震波加載下兩種結(jié)構(gòu)體系非彈性鉸延性分布情況 表9

以X向地震波加載為例，列出兩種結(jié)構(gòu)模型在3條地震波加載過程中，結(jié)構(gòu)非彈性鉸鉸的延性分布情況如表9所示。圖中Lever-1表示鉸還處于彈性階段，Lever-2表示鉸已達到屈服狀態(tài)，Lever-3、Lever-4、Lever-5表示各構(gòu)件的延性依次遞增。在分析結(jié)果中對于上述5個狀態(tài)分別以藍色、深綠色、淺綠色、橙色和紅色來表示。由分析結(jié)果可知，兩種結(jié)構(gòu)模型在3條地震波作用下，結(jié)構(gòu)中有部分梁和支撐的非彈性鉸鉸進入塑性階段（Lerer-2階段），柱鉸均在彈性階段。在各條地震波作用下，兩種結(jié)構(gòu)體系下模型中鉸的分布情況相似，也即說明兩種結(jié)構(gòu)具有相近的抗震性能。

4 結(jié)論

本文對同一高層鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑采用了兩種結(jié)構(gòu)模型進行了對比分析，從而得出了如下結(jié)論：

①高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，在柱中灌筑混凝土可減少柱用鋼量35%左右，而混凝土用量每平方米僅增加0.03m3左右，具有一定經(jīng)濟性；

②在方矩鋼管柱中灌注混凝土可提高結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)剛度，減小水平作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角；

③由于在柱中灌注混凝土而減少柱用鋼量，在罕遇地震作用下，方矩鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)模型的整體延性略小于方矩鋼管柱結(jié)構(gòu)模型。柱中灌注混凝土后，在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能略為下降。

[1]李國強.多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004:10-23.

[2]JGJ99-2015，高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)程[S].

[3]GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].

[4]GB50011-2010，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[5]王迎春，朱華.方矩管混凝土柱高層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)性能分析[J].安徽建筑，2017，24(05).

[6]沈康.小截面柱高層鋼結(jié)構(gòu)住宅性能分析[D].2015.