平面T形鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

潘明明，雷慶關(guān)

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽合肥230601)

鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的建筑行業(yè)里發(fā)展迅猛，現(xiàn)鋼筋用量在世界的用量排行榜里里名列前茅。目前，國(guó)家提倡建設(shè)節(jié)能省地住宅，鋼結(jié)構(gòu)住宅將繼續(xù)增加，并且鋼結(jié)構(gòu)建筑在節(jié)能環(huán)保以及抗震性能上具備顯著優(yōu)勢(shì)，因此鋼結(jié)構(gòu)體系的研究在我國(guó)建筑業(yè)起到了舉足輕重的作用。

為了研究有、無(wú)支撐對(duì)平面T形鋼結(jié)構(gòu)模型的抗震影響，本文依據(jù)算例，采用SAP2000結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建以上兩種模型對(duì)比分析，不難得出有、無(wú)支撐模型的自振周期、層間位移相應(yīng)數(shù)據(jù)，層間位移可換算出層間位移角的數(shù)據(jù)。所得結(jié)果對(duì)比分析后，即可得出有、無(wú)支撐平面T形鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能[1]。

1 模型算例

本文建立了T形鋼結(jié)構(gòu)框架模型，總層數(shù)為10層，總高度為35.5m，一層高度為4m，一至九層層高均為3.5m，長(zhǎng)、短邊總長(zhǎng)度分別為38m、26m。柱距為6.0m×6.0m,2.0m×6.0m,6.0m×2.0m。屋面板選用C30強(qiáng)度等級(jí)，樓面板選用C30強(qiáng)度等級(jí)，板厚取100mm。梁、柱均采用Q235型號(hào)的工字鋼，梁、柱截面尺寸分別為H400×300×10×16、500×300×12×20，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為8度，場(chǎng)地類別為II類，樓板面活荷載為2.5KN/m2，樓板面靜荷載為5.0KN/m2，邊梁線荷載為8KN/m。模型1及模型2通過(guò)SAP2000結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件模擬建立，如圖1、圖2所示。

圖1 無(wú)支撐的平面T形鋼結(jié)構(gòu)模型

圖2 有支撐的平面T形鋼結(jié)構(gòu)模型

2 結(jié)構(gòu)模態(tài)下的動(dòng)力特性分析

正文模型為T形平面不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu)[2]，通過(guò)模態(tài)分析了解結(jié)構(gòu)每個(gè)階次振型對(duì)應(yīng)的動(dòng)力特性，結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析是線性結(jié)構(gòu)體系在地震中分析中的重要方法[3]。SPA2000具有兩種分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力性狀的方法，即為特征向量法和Ritz向量法。Ritz向量法具備計(jì)算工作量小并且能生成精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，本文模型算例采用Ritz向量法進(jìn)行分析[4]。通過(guò)此方法得到有支撐和無(wú)支撐平面T形鋼結(jié)構(gòu)的各階振型及周期等數(shù)據(jù)。

正文選用有、無(wú)支撐兩種結(jié)構(gòu)體系的有效質(zhì)量系數(shù)和前12階振型的自振周期，對(duì)比分析其抗震性能，如表1和圖3所示。

表1 兩種結(jié)構(gòu)模態(tài)分析下周期與有效質(zhì)量系數(shù)

圖3 兩種結(jié)構(gòu)的前12階自振周期對(duì)比

由表1、圖3可知：

（1）有、無(wú)支撐的平面T形鋼結(jié)構(gòu)模型的第一自振周期分別為1.302s、1.906s，前者的自振周期比后者的減少32%。由于無(wú)支撐的平面T形鋼結(jié)構(gòu)模型的剛度小于有支撐的平面T形鋼結(jié)構(gòu)模型的剛度，導(dǎo)致無(wú)支撐模型自振周期比有支撐的的大。

（2）由模態(tài)分析表明，有支撐模型很大程度上降低了模型自身的自振周期，從而有效地降低了地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

3 雙向振型反應(yīng)譜分析

通過(guò)對(duì)有、無(wú)支撐兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行X、Y方向上的雙向反應(yīng)譜分析，得出兩種模型在X、Y方向下的層間位移和層間位移角有關(guān)數(shù)據(jù)如表2，有支撐和無(wú)支撐結(jié)構(gòu)的層間位移包絡(luò)圖，如圖4、圖5所示。

表2 雙向反應(yīng)譜分析下模型的層間位移和層間位移角

圖4 反應(yīng)譜分析下兩種結(jié)構(gòu)K向?qū)娱g位移包絡(luò)圖

圖5 反應(yīng)譜分析下兩種結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g位移包絡(luò)圖

由表2、圖4、圖5可知：

（1）雙向反應(yīng)譜分析所得數(shù)據(jù)如下所述，無(wú)支撐體系的模型在X、Y方向上產(chǎn)生的極值位移分別為19.52mm、48.72mm，有支撐體系的模型在X、Y方向上產(chǎn)生的極值位移分別為17.36mm、34.36mm。因此可得，X方向上的抗側(cè)移剛度大于Y方向上的。

（2）無(wú)支撐體系的模型在X方向上產(chǎn)生的極值位移角為1/1273，Y方向上產(chǎn)生的極值位移角為1/445，有支撐體系的模型在X方向產(chǎn)生上的極值位移角分別為1/1458，Y方向上產(chǎn)生的極值位移角為1/735。

4 彈性時(shí)程分析

SAP2000擁有線性時(shí)程分析的功能，也具備非線性時(shí)程分析功能，結(jié)構(gòu)每分每秒的響應(yīng)情況和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的突變情況應(yīng)用恰當(dāng)?shù)姆e分公式換算得出[6]。本文采用三種多遇地震波，每條地震波采用的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)取為50S。

以上有、無(wú)支撐兩種模型的樓層位移和層間位移角通過(guò)彈性時(shí)程分析所得，如表3、表4所示，繪制出的層間位移包絡(luò)圖，如圖6-8所示。

表3 線性時(shí)程分析下無(wú)支撐平面T形鋼結(jié)構(gòu)模型的樓層位移和層間位移角

表4 線性時(shí)程分析下有支撐平面T形鋼結(jié)構(gòu)模型的樓層位移和層間位移角

圖6 EL-Centro作用下兩種結(jié)構(gòu)層間位移包絡(luò)圖

圖7 Taft作用下兩種結(jié)構(gòu)層間位移包絡(luò)圖

圖8 Lanzhou2作用下兩種結(jié)構(gòu)層間位移包絡(luò)圖

由表3、表4、圖6，7，8可知：

（1）以上兩種模型的極值位移是在Taft地震波作用下所產(chǎn)生，即極大位移分別為77.71mm、86.10mm，Lanzhou2波作用下的頂點(diǎn)位移最小。

（2）在El-centro波作用下有、無(wú)支撐的兩種模型頂點(diǎn)極值位移分別是73.67mm、82.87mm，測(cè)算后層間位移角極值分別是1/345、1/300；在Taft波作用下有、無(wú)支撐的兩種模型頂點(diǎn)極值位移分別為77.71mm、86.10mm，層間位移角極值分別是1/354、1/321；在Lanzhou2作用下有、無(wú)支撐的兩種模型頂點(diǎn)極值位移分別是31.11mm、37.68mm，兩種鋼結(jié)構(gòu)模型的層間位移角極值分別是1/691、1/531，均滿足規(guī)定。

3)有支撐體系的模型能有效降低結(jié)構(gòu)的層間位移，從而有效起到良好的抗震效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要是對(duì)有、無(wú)支撐平面T形鋼結(jié)構(gòu)體系的抗震性能進(jìn)行研究，應(yīng)用SAP2000軟件繪制模型，依次對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自振周期分析、雙向反應(yīng)譜分析以及線性時(shí)程分析，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)體系的抗震效果進(jìn)行評(píng)估，總結(jié)得出相應(yīng)結(jié)論如下所示：

（1）對(duì)兩種體系模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振周期對(duì)比分析，有支撐平面T形鋼結(jié)構(gòu)體系建筑很大程度上減小了結(jié)構(gòu)自身的自振周期，從而有效降低地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

（2）對(duì)兩種模型進(jìn)行雙向地震作用下的反應(yīng)譜分析，有支撐平面T形鋼結(jié)構(gòu)體系建筑抗震的層間位移比無(wú)支撐的小，計(jì)算得出的層間位移角均都小于1/250限制要求。

（3）分別對(duì)兩種體系模型輸入三種差異的地震波，經(jīng)過(guò)線性時(shí)程分析后，兩種體系模型在Taft地震波作用下產(chǎn)生的位移比其他兩種地震波產(chǎn)生的位移較大；有支撐平面T形鋼結(jié)構(gòu)體系模型相對(duì)于無(wú)支撐平面T形鋼結(jié)構(gòu)體系模型而言，抗震性能更加具有優(yōu)勢(shì)。