大底盤L 型鋼結構的抗震性能分析

周宏

通常來說，鋼結構的延展性能以及抗震性能是比較好的。所以在高層建筑的項目中最理想的材料就是鋼結構。鋼結構還有一個優勢就是可以通過使用不規則鋼結構來增加建筑物的美觀性。外在的很多因素都會影響到不規則鋼結構的性能，所以在建筑過程中不規則鋼結構的設計需要考慮地震因素的影響。本文研究大底盤L 型鋼結構的抗震性能如何提高，主要討論X 型支撐材料和單斜桿的情況下抗震性能的改變程度。

L 型建筑物有很多獨特的優勢。一方面是能夠在用地方面節約用地成本；另一方面能夠保證設備的性能質量，可以跟周邊的一些建筑物保持高度的統一。在生活中很多工程項目都會應用到這項技術。通常來說，因為這種類型的結構的樓層質量和剛度中心有很大的偏心距，導致在結構承受地震擾動的時候，結構扭轉發生的可能性較大，容易導致產生垂直水平的變化[1]。也就是方向這個角度其實存在很大的相關性。所以，設計人員在對結構和材料進行設計的時候，起碼要考慮到水平二維方向的地震影響。近年來，我國城建設計中常用的是分析結構抗震性能的辦法主要是時程分析方法和反應譜分析方法[2]。對于反應光譜方法來說，每個國家的規范都是主要按照每個方向上反應譜的抗震響應值以及這些響應值組合起來的值。對于時程分析法來說，在大多數情況下使用結構體系中平行的橫軸和縱軸，以及地震動輸入方向。前面的假設在規則結構的時候是成立的，但是如果鋼材料是不規則的話假設就不再成立了。如果是不規則的情況就要考慮地震輸入角度的這個問題。因此，在下文中采用9 層的L 型鋼材結構作為例子，分析多維反應譜組合狀態下的結構變化狀態以及這種結構的模態特征。這種研究可以為以后的科學中同種類型的鋼結構抗震性能優化工作的開展，提供新的參考依據。

1.結構模型

近年，利用軟件在大底盤模型進行的建模，分別構建不設置支撐工具的模型A、增設單斜桿支撐的模型B、設置X 型支撐的模型C。在軟件中建立模型的時候，將模型的進深和開間設置為6m，其中進深設置為8 跨，開間設置為11 跨。采用的模型使用的數據是十五層的樓層，其中第一層到第三層高度設置為4.5m，第四層到第十五層高度設置為3.0m。此外，樓層的面板混凝土材料強度的設置為C30 等級，Q345 鋼材，樓面板的厚度大約為120mm。模型框架中的梁采用的是工字鋼，其型號主要為HW300mm×300mm×15mm×15mm；框架中的柱采用的是工字鋼，其主要型號為HW400mm×400mm×30mm×50mm；結構支撐截面采用的是工字鋼，其型號為HW250mm×250mm×9mm×14mm。這種材料能夠適用的是抗震等級烈度為8 度的建筑物，其建筑物的為2 類場地的地段。樓面的載荷設置主要為：活載荷參數為2kN/m2，恒載荷參數為4kN/m2，邊梁的均布載荷為8kN/m2。

2.結構對地震的可承受性

2.1 模態分析

計算機技術方面，本文采用有限元軟件SAP2000，在上文所述的鋼結構模型數據的基礎上進行了模態分析。最后，得到了12 階振性數據作為分析研究的基礎。在對鋼結構的動力性質進行研究的時候，主流的方法就是特征向量法和Ritz向量法。根據數據計算過程中的工作量和精準度特征，最后采用Ritz 向量法進行相關分析。

本試驗所設置的模型A 的具體參數為第一振型Uy=0.7486（y 指的是朝y 方向去移動）；第二振型Ux=0.6486（x 指的是朝x 方向去移動）；第三振型Uz=0.4955（z 是朝著z 方向去移動）；第四振型sum（Ux）=99.97%，sum（Uy）=94.60%。依次設置的模型B 具體參數為第一振型Uy=0.8053（y 指的是朝y方向去移動）；第二振型Ux=0.7467（x指的是朝x 方向去移動）；第三振型Uz=0.6965（z 是朝著z 方向去移動）；第四振型sum（Ux）=99.99%，sum（Uy）=96.33%。模型C 具體參數為第一振型Uy=0.8148（y 指的是朝y 方向去移動）；第二振型Ux=0.7555（x 指的是朝x 方向去移動）；第三振型Uz=0.7250（z 是朝著z 方向去移動）；第四振型sum（Ux）=100%，sum（Uy）=97.43%。

模型A、B、C 具體的質量參與系數是全部都大于90%，這完全滿足抗震建筑設計規范中的要求。然而，如果在大底盤L型鋼結構中增加支撐結構的設置，鋼結構的很多參數就會發生變化，尤其是自振周期的變化是最大的。研究三個模型最終得出的結果可以知道，鋼結構自振周期最大的是模型A，自振周期最小的就是模型C，居中是模型B。也就是說，在對大底L 型鋼結構進行增設支撐結構之后，鋼結構對于地震作用的削弱效果更加顯著，尤其是增加了X 型支撐之后鋼結構性能的提高是最顯著的。

2.2 反應譜分析

由于在實際情況下地震的發生機理復雜，因此結構對于地震響應的一些情況需要采用適用于處理復雜數據的反應譜分析。采用這種方法分析的具體步驟是：第一步使用動力學的原理方法去計算地震響應的程度，然后根據實際需求得出合適的反應譜曲線；第二步是使用靜力學方面合適的方法去進行研究。因此，本文中的結論都是采用SAP200 軟件計算結果總結得出的。

在通過反應譜分析相關數據后，發現當數據樓層數量增加了之后，每個模型的層移開始慢慢增加。如果增加支撐結構之后，所研究樓層的位移和位移角明顯地減少，其中最為明顯的就是X 型支撐的情況。

2.3 時程彈性分析

如果地震響應的實際情況需要更加高精度的結果，那么就需要采用時程分析的功能來解決。其原因是這種方法可以隨時反映鋼結構地震響應的程度。建筑物的場地類別、抗震設防烈度等要求決定了相對應的人工波和地震波。利用這種技術，可以得到每一種模型的層間位移和位移角，然后幫助研究曲線的可視化[3]。

在通過時程彈性分析相關數據得出的結果是，在最大底盤L 型鋼結構增加支撐設施之后，鋼結構的最大位移和位移角數值大小發生了很明顯的下降。并且當支撐的設置不同的時候，結構位移和位移角的變化也不會不一樣。X 型支撐和單斜桿支撐相比較，X 型支撐的優化性能會更好。

3.地震激勵輸入角度不同的影響作用

如果將地震的輸入角度設置從0°改變為150°，那么鋼結構的截面彎度就會變小，但是結構的彎矩就會明顯變大；也就是說如果地震發生的方向發生變化，那么結構的截面中產生的同類型的內力就會立刻發生改變。因此，筆者認為單獨的指標去衡量地震輸入角度對于鋼結構變化的影響是不科學的。這種規律也可以應用于考慮基底反力和節點位移響應。在實踐過程中把鋼材作為建筑材料的首選新材料，這樣做的理由是鋼材可以較好地適用于屈服準則，這種情況下可以考慮省略扭矩和截面剪切力對于結構抗震性能的影響。根據軟件計算結果得出，當地震輸入角度發生改變時，呈現出的規律是P 先減小后增加，另外它的最大值不是一定會出現在0°或者90°的。所以說如果僅僅使用簡單的時程分析方法就想對L 型鋼結構的抗震性能進行研究，這樣是不可行的，也是不科學的。

4.結束語

本文主要是有對照組是增加X 型支撐的鋼材料、增加單斜桿的鋼材料，應用的主要軟件是SAP2000 去進行主要模型的構建。模型分析選擇了模態分析、反應譜分析和時程彈性分析，然后對這三種結構進行了地震效果的評估[4]。根據分析得出的理論主要是以下內容：

（1）對三種模型進行三種結構分析，對比得出的結果表明，X 型支撐的結構、單斜桿的結構在很大程度上都可以增強大底盤L 型鋼結構的抗震性能。

（2）比較X 型支撐的結構、單斜桿的結構對大底盤L型鋼結構的抗震性能，X 型支撐的結構在提高抗震性能方面是最具有優勢的。

（3）對于大底盤L 型鋼結構的自振周期的改善，X 型支撐的結構的改善幅度是最大的。反應譜分析得出的結果是，增加了支撐后節后的和不設置支撐結構的位移相差不大。

（4）在結構模型進行時程分析的時候，對EL-centro 波、Lanzhou 波和Taft 波比較得出，Taft 波的位移最大，不設置支撐結構的位移都一直在減小，間接說明增加支撐結構之后抗震性能增強了。