鋼框架-鋼板墻和鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構抗震性能對比分析

何宇晨，楊溥，馮力強，李英民，常中仁，牛昌林

（1. 重慶大學 土木工程學院，重慶 400045； 2. 甘肅省建設投資（控股）集團有限公司，蘭州 730050；3. 甘肅建投科技研發(fā)有限公司，蘭州 730050）

鋼結構住宅體系是我國目前及未來推進住宅產業(yè)化最理想的住宅體系之一[1]。在高烈度地區(qū)，由于普通鋼框架結構的側向剛度較小，在地震作用下底部的層間位移角往往較大，為保證足夠的抗側能力，梁柱構件截面尺寸均較大，使得在住宅建筑應用時會產生“露梁露柱”等問題[2]。綜合考慮實用性和經濟性，通常選擇具有多道抗震防線的鋼板剪力墻結構或抗側剛度較大的鋼管混凝土柱結構來代替普通鋼框架結構。

鋼板剪力墻結構具有自重輕、承載力高、初始剛度大、易實現(xiàn)工廠化生產和裝配化施工等優(yōu)點[3]。目前，針對鋼板剪力墻國內外學者進行了大量研究[3-6]。Driver等[4]進行了4層薄鋼板剪力墻剛接邊框的擬靜力試驗研究，結果表明，鋼板剪力墻在循環(huán)荷載作用下抗震性能穩(wěn)定，具有較大剛度和良好的延性及耗能能力；聶建國等[5]以天津國際金融會議酒店工程為背景對鋼板剪力墻的抗震性能進行試驗，結果表明，鋼板剪力墻試件具有良好的承載力、延性和耗能能力，抗震性能優(yōu)越；Sahebjam等[6]的研究也表明利用鋼板屈曲后強度可以提高結構的承載力和延性。

鋼管混凝土結構具有抗震性能好、承載能力高及施工便捷等諸多優(yōu)點, 在實際工程中被廣泛應用[7]。國內外已有的大量研究表明，由于外圍鋼管對內填混凝土的約束作用，該類結構具有良好的抗震性能，且鋼管混凝土柱屈服后仍具有較高的承載力和耗能能力，抗震性能優(yōu)越[8-11]。杜國鋒等[8]按1:10縮比設計制作了一榀鋼管混凝土柱-H鋼梁框架結構模型, 并進行了模擬地震振動臺試驗，結果表明地震作用后結構整體性保持較好, 無倒塌破壞趨勢，結構抗震性能良好；王志濱等[9]進行了6根帶肋薄壁復式鋼管混凝土壓彎柱的低周反復加載試驗，結果表明，該類組合柱的滯回曲線飽滿，具有良好的抗震性能；Han等[10]對9根鋼管混凝土柱進行低周反復加載試驗，結果表明，鋼管混凝土柱具有良好的耗能能力和延性，且具有良好的抗震性能，適用于高烈度區(qū)的實際工程。

國內外大量的研究表明2種結構均具有良好的抗震性能，為滿足建筑工業(yè)化的迫切需求，進一步拓展2種結構體系在高烈度區(qū)的應用，本研究中基于蘭州新區(qū)保障性住房建設項目（二期）的建筑設計方案，以鋼框架-鋼板墻結構和鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構2種典型結構體系為研究對象，采用盈建科建筑結構計算軟件進行第一階段抗震設計。同時，采用動力時程分析方法對結構進行不同地震水準下的地震反應分析，對比了2種結構體系的地震響應規(guī)律、塑性發(fā)展過程及分布情況，總結了2種結構體系的抗震性能，為這2種典型的裝配式結構體系在高烈度地區(qū)的推廣應用提供參考。

1 工程概況及結構布置方案

鋼框架-鋼板剪力墻結構和鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構的標準層平面布置如圖1所示。采用盈建科軟件進行結構建模，結構整體計算模型如圖2所示。其中，鋼板剪力墻的厚度沿結構高度分布分別為：1~3層為10 mm，4~6層為8 mm，7~10層為6 mm；鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構的4個方鋼管混凝土角柱截面尺寸分別為：1~3層450 mm×450 mm×10 mm，4~9層400 mm×400 mm×10 mm，其余部位的框架柱均采用350 mm×350 mm×10 mm。結構主要構件的尺寸及材料見表1。

表1 結構主要構件尺寸及材料Table 1 Dimensions and materials of main components of structures

圖1 結構標準層平面布置 (單位：mm)Fig. 1 Standard floor layout of structure (unit: mm)

圖2 結構計算模型Fig. 2 Calculation model of structure

2 結構抗震設計

2.1 設計基本參數(shù)

結構的設計使用年限為50 a，結構安全等級為二級，標準設防類（丙類），抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，場地類別為II類，設計地震分組為第3組，場地特征周期Tg為0.45 s，基本風壓為0.3 kN/m2，風荷載體型系數(shù)取1.3，主要地震動參數(shù)見表2。

表2 地震動參數(shù)Table 2 Seismic parameters

2.2 抗震性能目標

建筑抗震設防類別為標準設防類，按8度進行抗震驗算和抗震措施的選取。對于鋼框架-鋼板墻結構，根據《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[12]8度區(qū)，高度小于等于50 m的鋼結構房屋，抗震等級為三級；對于鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構，根據《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》(GB 50936—2014)[13]8度區(qū)，高度大于24 m的鋼管混凝土框架結構，抗震等級為一級。綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構體系等因素，要求結構達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的“三水準”抗震設防目標。

2.3 反應譜分析

結構采用盈建科軟件進行整體計算，分析時采用考慮扭轉耦聯(lián)振動影響的振型反應譜法，2種結構的計算結果見表3。

表3 2種結構整體計算結果對比Table 3 Comparison of the overall calculation results of the two structures

在具有偶然偏心的規(guī)定水平力作用下，2種結構的X和Y向樓層水平位移和層間位移的最大值與平均值的比值都小于1.2，根據《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》(JGJ 99—2015)[14]的規(guī)定，2種結構均不屬于扭轉不規(guī)則類型；鋼框架-鋼板墻結構前2階平動振型對應的周期比鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構略大，2種結構的扭轉與平動周期比小于0.9，結構抗扭剛度良好。

在多遇地震作用下，鋼框架-鋼板剪力墻結構和鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構的最大層間位移角分別滿足《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》(JGJ 99—2015)[14]規(guī)定的1/250和《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》(GB 50936—2014)[13]規(guī)定的1/300限值要求，且鋼框架-鋼板墻結構的層間位移角大于鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構；2種結構的X、Y向最小剪重比均能滿足《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[12]和《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》(JGJ 99—2015)[14]的3.20%限值要求。

結構的其余彈性分析指標（如，剛度比、抗剪強度比等）均能滿足《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[12]和《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》(JGJ 99—2015)[14]的相關要求。

3 結構抗震性能分析

采用SAP2000有限元軟件建立了結構的非線性分析模型。其中，樓板用膜單元模擬，且采用剛性樓板假定；梁和柱用框架單元模擬，梁端塑性鉸采用自動彎矩鉸（M3鉸），柱端塑性鉸采用自動P-M-M鉸；鋼板剪力墻用可考慮材料非線性的分層殼單元模擬[15-16]。

根據8度抗震設防、Ⅱ類場地及設計地震分組為第三組的要求，選用2組天然地震波和1組人造波，對結構進行動力時程分析。其中，天然地震波采用“雙頻段”選波方法[17]進行選擇，選用的3組地震波信息如表4所示。根據表2所示的地震峰值加速度進行調幅后按照三向地震動比例為1:0.85:0.65輸入進行時程分析。同時，對所選用的3組地震波進行驗算，滿足《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[12]中“多組時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符”的要求，即所選的每組地震波計算所得結構底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，3組地震波計算所得結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%。

表4 所選地震波信息Table 4 Selected seismic wave data

3.1 多遇地震下彈性動力時程分析

鋼框架-鋼板墻結構與鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構在多遇地震作用下的各樓層最大層間位移角如圖3所示。鋼框架-鋼板墻結構在結構上部（7~9層）的層間位移角較大，而鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構在結構下部（2~4層）的層間位移角較大；并且鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構最大層間位移角以及最大位移均明顯小于鋼框架-鋼板墻結構，可見鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構的整體剛度大于鋼框架-鋼板墻結構。

圖3 多遇地震下各樓層最大層間位移角分布Fig. 3 Distribution of maximum inter-story drift angle of the structure under frequent earthquakes

2種結構在多遇地震作用下的各樓層最大位移分布如圖4所示。鋼框架-鋼板墻結構整體變形表現(xiàn)為彎曲型，而鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構為剪切型。

圖4 多遇地震下各樓層最大位移分布Fig. 4 Distribution of maximum displacement of the structure under frequent earthquakes

2種結構在多遇地震作用下的各樓層最大剪力分布如圖5所示。2種結構的層間剪力值相差不大，且各層分布較均勻；綜合層間位移和剪力分布可以看出，2種結構的質量和剛度沿樓層分布都較均勻，且在多遇地震下都能滿足 “小震不壞”的要求。

圖5 多遇地震下各樓層最大剪力分布Fig. 5 Distribution of maximum shear force of the structure under frequent earthquakes

3.2 罕遇地震下彈塑性動力時程分析

鋼框架-鋼板墻結構與鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構在罕遇地震作用下的各樓層最大層間位移角如圖6所示。從圖中可以看出，鋼框架-鋼板墻結構第7層的層間位移角最大，而鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構第4層的層間位移角最大；鋼框架-鋼板墻結構在結構上部（5層以上）的位移變形大于鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構，而在結構下部（5層以下），鋼框架-鋼板墻結構的位移變形比鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構的位移變形小。此外，鋼框架-鋼板墻結構在不同地震波輸入下響應相差較大，其中，在RSN746波作用下變形最明顯，而鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構在3組不同地震波作用下變形相差不大；鋼框架-鋼板墻結構的層間位移角沒有因鋼板墻厚度沿高度變化而發(fā)生突變，變化較均勻，而鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構由于鋼管混凝土柱截面變化導致結構的層間位移角在第4層發(fā)生了突變。

圖6 罕遇地震下各樓層最大層間位移角分布Fig. 6 Distribution of maximum inter-story drift angle of the structure under rare earthquakes

2種結構在罕遇地震作用下的塑性鉸發(fā)展結果的統(tǒng)計數(shù)據如表5所示。可見，2種結構在地震波作用下出現(xiàn)塑性鉸的位置大部分為梁端，符合“強柱弱梁”的抗震設計理念。同時，鋼框架-鋼板墻結構在不同地震波作用下出現(xiàn)塑性鉸的時刻均早于鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構。

表5 2種結構塑性鉸結果統(tǒng)計Table 5 Statistics of plastic hinge results for the two structures

圖7和圖8分別展示了在RSN746地震波作用下2種結構的塑性鉸發(fā)展規(guī)律，圖中不同顏色的圓點表示不同塑性程度的塑性鉸，即由紫色至紅色表示塑性程度越來越大。由圖可知，鋼框架-鋼板墻結構在地震波作用下，靠近剪力墻的底層框架柱腳首先出現(xiàn)塑性鉸，隨后，在鋼板剪力墻附近的梁端逐漸出現(xiàn)塑性鉸，隨著地震波持續(xù)作用，結構進入屈服的構件數(shù)量越來越多，其他部位的梁端也開始出現(xiàn)塑性鉸；鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構在地震波作用下，塑性鉸首先在結構第2、3層的四周邊梁的端部出現(xiàn)，隨著地震波持續(xù)作用，塑性鉸開始在結構中部樓層的中間梁梁端以及底層的柱腳出現(xiàn)。此外，鋼框架-鋼板墻結構塑性鉸主要出現(xiàn)在剪力墻周圍的柱和框架梁的端部，且在整個結構不同高度均有塑性鉸分布；而鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構的塑性鉸則大部分集中在結構的中下部分，在結構的上部沒有出現(xiàn)塑性鉸。

圖8 鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構各階段塑性鉸分布Fig. 8 Distribution of plastic hinges in each stage of the steel frame structure with concrete-filled steel tube columns

4 結 論

對比了高烈度區(qū)鋼框架-鋼板墻結構和鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構在不同地震水準下的響應規(guī)律、塑性分布及發(fā)展過程，主要結論如下。

1）無論是鋼框架-鋼板墻結構還是鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構，均能夠滿足預期的抗震性能要求，適用于高烈度區(qū)的多高層民用建筑。

2）在多遇地震作用下，鋼框架-鋼板墻結構在結構上部（7~9層）的層間位移角較大，而鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構在結構下部（2~4層）的層間位移角較大。鋼框架-鋼板墻結構整體變形表現(xiàn)為彎曲型，而鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構為剪切型。

3）在罕遇地震作用下，鋼框架-鋼板墻結構第7層的層間位移角最大，塑性鉸集中于鋼板墻附近，而鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構第4層的層間位移角最大，塑性鉸集中于中部樓層。

4）鋼框架-鋼板墻結構在地震作用下鋼板墻附近的梁端和柱端是塑性鉸較集中的部位，而鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構在地震作用下塑性鉸集中于中間層，在設計時需重點關注。

5）鋼框架-鋼板墻結構在地震作用下樓層側向位移及塑性鉸沿高度分布較均勻，而鋼管混凝土柱-鋼梁框架結構在地震作用下中下部樓層的側向位移較明顯且塑性鉸較集中。