(College of Civil and Architectural Engineering,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China)
备注
从高层建筑物的钢结构的住宅结构体系的抗震性能的角度着手,建立钢框架、钢框架支撑和钢框架剪力墙的三维立体空间的有限元模型。通过有限元的软件对这3种钢框架模型进行8°的抗震设防下模拟,并分别对其进行模态分析与动力时程的研究分析,根据3种模型的动力时程的顶点位移与层和层之间的位移进行相关对比,指出对钢结构设置支撑和剪力墙,来完善高层的钢结构的住宅结构体系的抗震性能,从而提高建筑物的稳定性和抗震能力。
Considering the seismic performance of high-rise buildings steel structure residential structure system,establish a steel frame, a braced steel frame and steel frame shear wall of three dimensional space finite element model. By the finite element software for the three kinds of steel frame model on the eight degree earthquake simulation, carries on the research on the modal analysis and time-history analysis. The three model's relation of the coping displacement and relative storey displacement were compared, and the seismic performance of setting steel-brace and steel frame shear wall was proposed.
引言
钢结构是一种绿色建筑,与混凝土建筑物结构比较,具有很大的优势。钢结构住宅[1-3]是目前大力推广建筑和使用的项目,纯钢框架的结构体系可以提供较大的室内空间,并且钢结构的刚度也较为均匀、延展性好、自振的周期长,特别是高层的钢结构住宅,也正是由于钢结构的特点导致钢结构住宅不宜建的过高。对于高层钢结构的住宅体系进行探索和研究,从而推动高层的钢结构住宅发展与完善,具有很高的指导参考价值。 从研究钢结构高层住宅结构体系的抗震性能着手,利用有限元模拟手段,在8°设防下,分别建立钢框架结构、钢框架-支撑和钢框架-剪力墙结构3种空间有限元模型,通过对结构模态、反应谱、时程等计算结果,试图分析3种不同结构形式钢结构住宅体系的抗震性能的变化规律[4-5],总结3种结构形式各自的破坏机理和薄弱点位置,对设计提出建议。
1 高层的钢结构住宅的结构体系
1.1 钢框架住宅的结构体系在现代化的建筑体系中钢框架的结构体系较为常见,在平面布置上钢框架结构较混凝土结构有更大的灵活性。钢框架的结构体系可以使建筑住宅的内部空间更大,可以在各种功能型建筑中使用,并且其安装便捷,构件制作工艺简单,可以推广生产的标准化与定制。由于纯钢框架结构的体系刚度较小,是单一的抗侧力的体系,因此,其抗震性能也比较差。所以纯钢结构框架的使用只限于小高层住宅[6]。
1.2 钢框架-剪力墙的结构体系高层钢结构的住宅结构体系[7-8]中设置剪力墙的结构体系,可以把剪力墙与框架相结合抵抗水平的荷载,形成钢框架-剪力墙混合结构体系。在提高了结构侧向的刚度外,同时可以减小结构侧向的位移。在剪力墙的设置上一般使用钢板、支撑钢板和混凝土剪力墙共同组成住宅墙。
钢框架-剪力墙结构体系中的墙板,具有抗侧刚度与承压承载力的作用,可以提高钢结构住宅结构的设计高度。但是如果在强地震荷载下,其剪力墙部分由于应力集中,会造成住宅结构的局部范围内的破坏与裂缝,整体结构性能因此下降。
1.3 钢框架-支撑结构的体系钢框架-支撑结构体系主要是在纯框架的结构体系基础上发展起来的,沿着住宅的横纵向布置竖向的支撑结构体系。该结构体系从支撑获得水平力与侧向的刚度,提高了框架的抗震能力,具有更可靠的性能。如果建筑住宅的层数较多时,可以使用钢框架-支撑结构体系,其改善了纯钢结构体系的抗侧力的弱点,但是对于住宅门窗的开启位置的设置有较大的影响。
图1为由西安五建承建的位于西安市凤城九路的一个钢结构高层,此高层就采用了钢框架钢支撑的结构体系。
2 结构体系的抗震性能分析
2.1 模型的建立根据钢结构的框架与支撑体系[9],进行三维空间有限元的模型建立[10],并且结合SAP2000的有限元的分析软件针对此项模型进行抗震性能研究。采取SAP2000软件分别对钢框架、钢框架-支撑、钢框架-剪力墙的结构体系进行三维空间模型的建立。
模型层高为18层,钢材的强度为Q345,框架柱的材料是方形钢管混凝土,其边长为450 mm,其壁厚为20 mm,在内部进行C40混凝土的灌注,主梁截面尺寸为HN600 mm×200 mm×10 mm×15 mm,次梁截面尺寸为HN400 mm×200 mm×7 mm×11 mm.其结构的钢支撑采用矩形截面,其边长大小为200 mm,壁厚是10 mm.剪力墙采用20 mm的厚钢板。楼板利用110 mm的厚现浇混凝土板。其有限元分析模型如图2所示。
2.2 计算原理高层建筑结构被简化成一个多质点的体系,运动的微方程如下。
在Δt时刻,其运动的微分方程表示如下公式
式中 [M]为钢结构刚度的质量矩阵; [C]为钢结构阻尼矩阵; [K]为钢结构的刚度矩阵; {x(t)}为钢结构各个质点在t时刻的位移; {(·x)(t)},{(·x)(t+Δt)}分别为结构各质点在t和t+Δt时刻速度; {(¨x)(t)},{(¨x)(t+Δt}分别为结构各质点在t和t+Δt时刻的加速度; {Fp(t)}, {Fp(t+Δt)}分别为钢结构在t和t+Δt时刻的动荷载。
数值的积分法计算过程如下:假设t=0时刻的状态向量(位移; 速度; 加速度)已的,将时间求解域t在0-T的范围内进行离散,最终得t=0+Δt时刻的状态向量,继而进行计算t=t+Δt时刻的状态向量,直至在t=T时刻终止,就可以得到动力的响应全过程。
2.3 结构的模态的分析可以利用SAP2000 程序对高层的钢结构住宅结构实施模态分析,分析结果中含有基本性能的参数,参数是其他的动力分析的基础(反应谱分析与时程分析)。
模态分析又可以称作“振型叠加法”的动力分析,可以对非阻尼自由振动条件下振型与固有周期进行求解,方程公式如下
[K]{φn}=ω2n[M]{φn}.(3)
其中 [K]为结构刚度矩阵; [M]为结构质量矩阵; {φn}代表第n阶振型的特征值; ω2n代表第n阶振型向量。
经过分析可得三组模型各自的前10阶阵型的周期,见表1.
对3种结构形式的自振周期,钢框架结构的自振周期较大并且下降较慢,钢框架-剪力墙由于加设了剪力墙为抗侧力构件,抗侧刚度明显增强,自振周期较小。钢框架-支撑结构的自振周期介于前两者之间。自振周期的对比如图3所示。
2.4 结构的反应谱分析抗震设计的反应谱是按地震加速度反应谱的特性为依据,经统计分析和平滑处理且结合经验而判断确定的。文中研究的钢结构,按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010),抗震设防烈度为8°,设计基本加速度为0.20 g.在多遇地震下,水平地震的影响系数最大值为0.16,特征周期为0.40 s.对3种模型进行Y方向的反应谱分析,得到各层的位移和层间位移。分析结果见表2.
对3种结构形式的Y向各层节点的位移进行对比,钢框架-支撑和钢框架-剪力墙设置了抗侧构件,他们的抗侧能力较纯钢框架有了很明显的改善。由分析结果可以看出,钢框架4层的层间位移为9.34 mm,为最大值。钢框架-支撑结构最大值在第8层,为4.57 mm,钢框架-剪力墙最大值在12层,为3.66 mm.钢框架-剪力墙结构的层间位移变化较小,层间位移曲线比较平滑,层间位移最大值在接近顶层的位置,所以在设计时应该采取相应措施,对顶层位移进行控制。3个结构的各节点位移曲线和各层间位移曲线如图4,图5所示。
2.5 结构的时程分析在ELCentro波的作用下,分析3种结构在8°设防下,加载Y方向加速度时程函数,得出钢结构顶点位移与层间位移的分析结果,分别做出顶点位移和层间位移时程曲线。
1)结构顶点的位移可以通过软件程序的计算,3种的结构体系作用在地震烈度为8°(0.20 g)的顶点的位移,得到时程曲线(Y向)如图6所示。从图可以看出,钢框架结构通过时程函数作用,地震响应振动频率最小,但是顶点位移最大。钢框架支撑和钢框架剪力墙的振动频率较大,但顶点的位移有很明显的减小。
2)结构层间位移,由3种结构体系最大层的层间位移的计算结果,得出层间位移的时程曲线,如图7所示。从图形可以很明显的看出在ELCentro波的作用下,钢框架结构体系抗侧向位移的控制能力是最弱的,钢框架支撑和钢框架剪力墙结构体系由于设置了支撑与剪力墙的抗侧力构件,层间位移较小,抗侧刚度有了很明显的提高。
3 混合钢框架结构住宅结构体系的优越性
3.1 结构稳定性钢框架-支撑和钢框架-剪力墙作为建筑住宅支撑体系,它们侧向的刚度要比纯钢结构的框架结构体系刚度大,这种混合支撑体系侧向位移比纯钢框架的结构体系侧向位移小得多,其自振的频率也会有所提高。
3.2 抗震稳定性由于地震波在不同的场地,地震的过滤效果和选择性的放大效果也会有所不同,在建筑住宅的上部主体的结构经过地震波周期性的影响,加支撑的结构体系自振周期与纯钢结构框架相比,自振周期小。施工中为了有效的避免建筑住宅结构后期使用由于自振周期和场地卓越周期产生的共振,可以根据不同场地对结构体系做好相应的调整,增强住宅结构的抗震性能。
3.3 钢结构住宅的经济优越性住宅利用钢结构体系在成本造价上要比钢筋混凝土结构要高,但是钢结构体系的经济效益,却是无法相比的。钢结构的废弃材料可以作为回收材料,二次使用,提高了环保效果。并且其综合优势也促使钢结构体系的应用发展:第一,住宅造价较低。第二,内在价值的体现,节能效果明显。第三,资金使用率相对较高,结构体系的构建风险较低。第四,抗震性能稳定,抵抗外界环境的作用强度大,减少在自然灾害中的经济损失。
4 结 论
根据结构的有限元模拟与对比,得出以下结论与建议
1)在钢框架的住宅结构体系中,在强地震作用的情况下,钢框架结构侧向位移较大,而钢框架支撑和钢框架剪力墙则相对较小,抗侧能力有明显改善。
2)钢框架体系主要为剪切变形,梁柱弯曲产生的位移占主要部分,钢框架-剪力墙体系主要为弯剪变形,层间位移沿建筑物高度分布比较均匀,有利于减少地震作用中非结构构件的破坏。钢框架-支撑体系的变形形式介于纯钢框架和钢框架剪力墙之间。
3)钢框架-支撑体系和钢框架-剪力墙体系的层间位移曲线比较平缓,楼层之间的侧移变化范围相对较小,而且最大层间位移的出现位置有向顶层发展的趋势。
4)从曲线结果可以看出,纯钢框架结构的刚度不够高,在住宅体系中只适用于小高层建筑。对于地震烈度较大地区的小高层的结构体系和高层住宅不适合建造纯钢框架的结构体系,应采取刚度较高的钢框架-支撑体系或钢框架-剪力墙体系。
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