鋼框架支撐結構抗震性能有限元分析

孫 慶 王 濤

(1.青島市市南區市政工程養護建設有限公司，山東 青島 266071； 2.青島理工大學，山東 青島 266033)

鋼結構具有強度高、剛度大、穩定性好、抗震性能強、施工簡便、綠色環保等特點，而成為設計時的首選類型之一。我國處于環太平洋火山地震帶，地震頻發，近幾年的汶川地震、玉樹地震等給國民經濟及當地人民收入帶來了巨大損失。鋼結構與普通鋼筋混凝土結構相比有一定的延性，在地震作用下具有一定的抗震能力，可以耗散部分地震能量[1]。本文通過對普通鋼框架、單向斜桿支撐鋼框架、交叉支撐鋼框架和人字形支撐鋼框架分別采用鉸接和剛接的連接方式，利用ANSYS對它們分別進行在三種不同地震波作用下的研究得出抗震性能最優的支撐類型。

1 設計資料[2]

本設計實例為8層框架寫字樓，它包括下列幾部分承重構件:

1)橫向框架:三層三跨，由基礎、框架梁、柱組成。

2)縱向框架:三層兩跨，由基礎、框架梁、柱組成。

平面圖見圖1。

本設計柱距采用6 m×6 m，層高為4 m。結構位于Ⅱ類場地第二組，基本烈度為8度，阻尼比為0.02。結構設計所取永久荷載見表1,活荷載按照GB 50009—2012建筑結構荷載規范的規定計算。

表1 永久荷載

初選截面，梁柱所用鋼材均為Q235，選定梁柱截面尺寸及截面幾何特性分別為:

柱:工字型截面:300 mm×305 mm×15 mm×15 mm；梁:工字型截面:300 mm×300 mm×10 mm×15 mm。

目的:結構在罕遇地震下的模態分析以及瞬態分析，通過在三向地震的作用下，在模態分析下觀察結構的頻率和振型；在瞬態分析中分析層間位移。通過不同的支撐方式以及在經濟方面的考慮，給出一個較優的方案。

根據規范，8度設防烈度對應多遇地震水平地震影響系數最大值αmax=0.16，Ⅱ類場地第二組對應特征周期Tg為0.4 s，此時需考慮阻尼比對地震影響系數形狀的調整。

由此可得本結構在8度多遇地震作用下的地震影響系數為:

同理可得，該結構在8度罕遇地震(水平地震影響系數最大值αmax=0.50)作用下的地震影響系數:

2 鋼框架結構設計實例

2.1 模型的建立

空框架模型見圖2。

2.2 鋼框架結構模態分析

在將模型建好后，進行模態分析，首先對建立的模型施加約束，所有模型均在模型底部施加位移約束，施加約束后，對模型進行模態分析。本文所選模態分析的方法為蘭索斯法。

2.3 模態分析對比結果

經對比分析，空框架的一階頻率為0.8 Hz,在固接連接方式中:單向斜桿支撐的一階滿布、1357層布置以及1層布置的頻率分別為4.30 Hz,1.43 Hz,0.93 Hz；交叉支撐的一階滿布1357層布置以及1層布置的頻率分別為4.82 Hz,1.41 Hz,0.92 Hz；人字形支撐的一階滿布、1357層布置以及1層布置的頻率分別為4.63 Hz,1.34 Hz,0.92 Hz。通過對比可以看出，無論單向斜桿支撐、交叉支撐還是人字形支撐，在支撐滿布的情況下，剛度較大，會造成結構的自振頻率較高，對于結構來說不利。而單向斜桿支撐、交叉支撐、人字形支撐的1層布置支撐的情況結構的自振頻率相差不大[3]。

3 鋼框架結構地震作用分析

本文選擇了墨西哥波、天津波、Taft波三條地震波，分別模擬了模型在三條地震波作用下的層間位移，并對結果進行了對比分析，層間位移的結果見表2～表4。

表2 墨西哥波作用下層間位移對比 mm

表3 天津波作用下層間位移對比 mm

表4 Taft波作用下層間位移對比 mm

在三條地震波作用下，未加支撐的鋼結構模型位移較大。由此可見，鋼結構布置支撐是減小位移的有效措施。在墨西哥波作用下人字形支撐剛接1層布置層間位移較其他工況的層間位移小；在天津波作用下交叉支撐鉸接1層布置層間位移較小；在Taft波作用下交叉支撐1層剛接布置與人字形支撐1層剛接布置層間位移相差不大。以上幾種都是比較合適的設置支撐的方式。另外，滿布的支撐方式在不同的地震波下的層間位移與實現中并不相同，通過在墨西哥地震波的作用下單向斜桿支撐剛接滿布的層間位移比未加支撐的空框架還要大[4]。

4 結論

1)與鋼筋混凝土結構相比，雖然鋼結構的造價成本要高一些，但鋼結構具有施工速度快、舒適度高、污染小等優點，綜合考慮，鋼結構相對來說成本更好一些，在選擇設計時應該優先選擇鋼結構；對于不同工況的鋼框架，選擇鉸接的方式更加經濟。2)針對不同類型的鋼框架結構，除墨西哥地震波外，施加支撐的鋼框架模型在ANSYS中比未加支撐的鋼框架模型的減震效果好；模擬的鋼框架模型工況與實際的鋼框架結構在地震作用下的效果相符合，進一步證明了ANSYS模擬的可靠性。3)對不同工況鋼框架模型的模態、層間位移以及層間角位移的分析可以看出：除墨西哥地震波外，加了支撐的鋼框架比未加支撐的鋼框架的變形小，但滿布的支撐方式會增加變形，在墨西哥地震波作用下單向斜桿支撐滿布的支撐方式的層間位移比未加支撐的空框架的層間位移大，因此采用人字形支撐是所有工況中鋼框架結構在地震作用下最優的結構形式。