鋼框架—中心支撐結構中支撐彈塑性分析

馬 昕

(上海天華建筑設計有限公司，上海 200235)

1 鋼框架支撐結構介紹

鋼框架—支撐結構是在鋼框架結構的基礎上，通過在部分框架柱之間布置支撐來提高結構承載力及側向剛度。支撐與框架體系共同作用形成雙重抗側力結構體系，不但為結構在正常受力情況下提供了一定的剛度，而且為結構在水平地震作用及較大風荷載作用下，提供了多道受力防線，形成了較理想的破壞機制[1]。

支撐的類型共有三種，包括：中心支撐、偏心支撐、耗能支撐，本文的工程實例采用了中心支撐。

2 支撐屈曲情況介紹

鋼框架支撐體系中，支撐為軸心受力構件，在軸心受壓的情況下，常會發生彎曲失穩，故在工程設計中，支撐的截面大小通常由穩定應力控制。在軟件計算中，通常會對強度和穩定同時進行應力分析，確保支撐的安全性。

3 彈塑性分析介紹

3.1 規范中關于彈塑性分析的相關規定

根據《建筑抗震設計規范》5.5.2條規定，結合《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》，本工程具有樓板局部不連續，豎向收進、轉換，平面扭轉不規則三項不規則項，屬于特別不規則的高層建筑，需進行特別不規則論證，故根據規范應進行彈塑性分析[2,3]。

彈塑性分析方法分為靜力彈塑性分析和彈塑性時程分析兩種，本工程案例采用靜力彈塑性方法進行分析。

3.2 靜力彈塑性分析

靜力彈塑性分析又被稱為Pushover分析，是基于性能的抗震設計中最具代表性的分析方法。

其步驟是先按照規范要求進行抗震分析和構件設計，然后通過Pushover分析獲得結構的極限承載力，最后通過非線性位移結果評價結構是否滿足目標性能要求。

4 鋼框架支撐結構案例分析

4.1 工程介紹

工程位于上海市，抗震設防類別為標準設防(丙類)。場地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅳ類，場地特征周期為0.9 s，多遇地震下結構的阻尼比為0.03，地下室層數為2層。

主樓總層數為22層，總高度為100 m，結構形式為鋼管混凝土框架柱—中心支撐，鋼管混凝土柱抗震等級為二級，鋼框架梁及鋼支撐抗震等級為三級，樓板采用鋼筋桁架樓承板，本工程嵌固于地下室頂板。

本工程為中心支撐的結構，支撐的布置形式見圖1，在小震作用下，支撐是由穩定應力控制的。

4.2 靜力彈塑性分析

本工程運用比較常見的三種結構分析軟件(PKPM,YJK,MIDAS gen)進行靜力彈塑性分析，對比支撐在彈塑性分析中的塑性鉸的發展狀況。

4.2.1YJK靜力彈塑性分析

用YJK軟件進行靜力彈塑性分析，結果顯示塑性鉸全都出現在框架梁和框架柱上(見圖2)，與將支撐作為第一道防線的抗震概念不相符。進一步分析發現，支撐的強度應力并未達到極限，故未出現塑性鉸，而根據小震的計算結果，此時支撐理應失穩，出現塑性鉸，內力應進行重分布。根據分析判斷，盈建科在靜力彈塑性計算中并未考慮支撐屈曲失穩的情況，故塑性鉸的發展狀況只和支撐強度有關。

4.2.2PKPM靜力彈塑性分析

采用PKPM軟件進行彈塑性分析，計算結果顯示塑性鉸也都出現在框架梁和框架柱上(見圖3)，與YJK的塑性鉸發展情況基本相同，可見PKPM在靜力彈塑性分析中也與YJK一樣，并未考慮支撐屈曲失穩的情況。

4.2.3MIDAS gen靜力彈塑性分析

采用MIDAS gen進行彈塑性分析，結果顯示塑性鉸的發展主要出現在支撐上，少量輕微損傷出現在框架梁，個別出現在框架柱上(見圖4)，塑性鉸的發展狀況與抗震設計理念中的多道防線相符，應為較合理的塑性鉸發展。可以判斷，MIDAS gen軟件考慮了支撐的屈曲失穩，在第一道防線支撐屈曲失穩后，整體結構進行了內力的重分布，塑性鉸向框架梁發展，個別向框架柱發展。軟件分析結果中，塑性鉸的發展狀況與設計基本相符。

5 結語

帶鋼支撐的結構，在進行小震設計時，三種軟件均可對支撐進行強度及穩定的應力分析。但在彈塑性分析時，只有MIDAS gen能對支撐的屈曲失穩進行分析，從而使塑性鉸的發展情況與抗震設計理念中的多道防線相符，在支撐屈曲失穩后進行內力重分布，達到性能點時，大部分塑性鉸出現在支撐處，少量輕微鉸出現在框架梁和柱上，有效保證結構的整體抗震安全。