斜撐對(duì)混凝土框架抗震性能影響的分析

曹建興，唐天國(guó)

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065)

建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能日益引起人們的重視，目前常用的抗震方法有隔震、耗能、多道設(shè)防[2]。在傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)中增設(shè)斜撐可以提高結(jié)構(gòu)的剛度及受力性能，同時(shí)相當(dāng)于增加一道抗震設(shè)防，在地震作用中可優(yōu)先破壞達(dá)到耗能的目的，提高結(jié)構(gòu)的防倒塌能力。增設(shè)斜撐也可作為建筑加固的措施，增加原有結(jié)構(gòu)的可靠度，以及改善梁柱節(jié)點(diǎn)的受力性能[3],但同時(shí)也會(huì)對(duì)小部分構(gòu)件產(chǎn)生不利影響，進(jìn)行加固時(shí)應(yīng)考慮到所有構(gòu)件的受力情況。斜撐結(jié)構(gòu)對(duì)建筑的空間布置有一定的影響，需根據(jù)建筑設(shè)計(jì)決定是否采用斜撐。

1 結(jié)構(gòu)分析模型、分析方法以及地震波的選擇

本文采用一簡(jiǎn)單的5層建筑作為純框架分析模型，在外層框架的邊跨增設(shè)斜撐作為斜撐框架分析模型，具體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1,ANSYS模型圖見圖2，模型參數(shù)見表1。利用ANSYS對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行模態(tài)分析及地震彈性時(shí)程分析。為更好的論證斜撐對(duì)框架抗震性能的影響，本文選擇天津波、遷安波兩組實(shí)際地震記錄作地震模擬[4](見表2)。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

表2 地震波主要參數(shù)

(a)平面布置圖

(b)南立面

(c)東立面圖1 斜撐框架布置

(a)傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)模型

(b)增設(shè)斜撐后結(jié)構(gòu)模型圖2 ANSYS模型

2 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

2.1 模態(tài)分析

兩種結(jié)構(gòu)通過模態(tài)分析所得的前六階自振周期如表3所示。由表中數(shù)據(jù)可知增設(shè)斜撐后結(jié)構(gòu)的自振周期大幅減小。以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與以平動(dòng)為主的第一周期T1之比為框架：Tt/T1=0.5274/0.6101=0.86；斜撐：Tt/T1=0.2323/0.3996=0.58。由此可知在建筑四角設(shè)置斜撐對(duì)增加建筑抗扭轉(zhuǎn)剛度效果顯著。

表3 結(jié)構(gòu)自振周期 s

2.2 彈性時(shí)程分析

2.2.1 樓層位移

在正常使用條件下限制建筑結(jié)構(gòu)層間位移的主要目的有兩點(diǎn)：(1)保證主結(jié)構(gòu)基本處于彈性受力狀態(tài)；(2)保證填充墻、隔墻和幕墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的完好[5]。通過時(shí)程分析得出兩種模型分別在天津波和遷安波作用下的最大樓層位移(見圖3)。通過數(shù)據(jù)可知天津波作用下框架結(jié)構(gòu)的最大層間位移為14.0 mm(發(fā)生在第一層)，斜撐結(jié)構(gòu)的最大層間位移為3.4 mm(發(fā)生在第一層)；遷安波作用下框架結(jié)構(gòu)的最大層間位移為1.9 mm(發(fā)生在第一層)，斜撐結(jié)構(gòu)的最大層間位移為1.1 mm(發(fā)生在第一層)。由分析可知斜撐對(duì)減小樓層位移，提高結(jié)構(gòu)可靠性有很明顯的作用。

(a)x向樓層位移

(b)y向樓層位移圖3 最大樓層位移

2.2.2 構(gòu)件受力

由于增設(shè)了斜撐使得結(jié)構(gòu)剛度增大，所受地震力也會(huì)增大，并且斜撐的設(shè)置會(huì)改變相鄰梁柱的受力情況。本文提取兩種模型的1-A柱和5-B柱柱底受力情況來進(jìn)行比較分析(見表4)。由分析結(jié)果可以看出增設(shè)斜撐后與斜撐相連的柱(1-A)彎矩有大幅的減小，同時(shí)剪力和軸力又有大幅的增強(qiáng)，而與斜撐不相鄰的柱(5-B)軸力、剪力、彎矩均有大幅的減少。在使用斜撐增強(qiáng)建筑抗震性能時(shí)會(huì)對(duì)與斜撐相連的梁柱受力產(chǎn)生一定的不利影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加其尺寸，尤其要重視柱的抗剪設(shè)計(jì)。

表4 地震作用下構(gòu)件的受力

3 結(jié)論

本文通過對(duì)一框架結(jié)構(gòu)及其增設(shè)斜撐后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明：

(1)增設(shè)斜撐后結(jié)構(gòu)的剛度有很大的增強(qiáng)，并且由于是在建筑四周增加的斜撐，建筑抗扭剛度的增強(qiáng)尤為明顯；

(2)增設(shè)斜撐后結(jié)構(gòu)的樓層最大位移、層間位移都大幅減小，增加了結(jié)構(gòu)的可靠性；

(3)增設(shè)斜撐后與斜撐不相連的柱受力情況有很大改善，但同時(shí)對(duì)與斜撐相連的構(gòu)件會(huì)有不利影響，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對(duì)這部分構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)；

(4)增設(shè)斜撐后梁柱節(jié)點(diǎn)的受力將更為復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)； (5)增設(shè)斜撐后節(jié)點(diǎn)處鋼筋布置更加困難，施工時(shí)應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量重點(diǎn)監(jiān)控。

[1] 林儆，崇燕，張柏林.鋼筋混凝土框架斜撐結(jié)構(gòu)體系抗震分析[J].建筑科學(xué),2013,29(5):60-64

[2] 和佳一.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2011，(12)：156

[3] 朱彥鵬，李復(fù)炫.鋼筋混凝土十字節(jié)點(diǎn)斜撐法加固的數(shù)值分析[J].低溫建筑技術(shù)，2012，(5)：38-40

[4] 王博，潘文，崔輝輝，等.彈性時(shí)程分析時(shí)地震波選用的一種方法[J].河南科學(xué)，2010，28(8)：971-974

[5] JGJ3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]

[6] 慕欣，吳秀紅.某框剪結(jié)構(gòu)的彈性時(shí)程分析[J].安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，10(1)：7-9