支撐鋼框架體系的簡(jiǎn)化計(jì)算方法及抗震性能研究

朱琳

【摘 要】基于剛度連續(xù)化方法和位移協(xié)調(diào)條件，推導(dǎo)了支撐鋼框架體系在倒三角荷載下的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。建立了Perform3D的彈塑性分析模型，通過(guò)非線性時(shí)程分析獲得結(jié)構(gòu)在大震下的動(dòng)力響應(yīng)，并對(duì)支撐鋼框架體系的抗震性能進(jìn)行了闡述。

【關(guān)鍵詞】支撐鋼框架；屈曲；抗震性能；Perform3D；非線性時(shí)程分析

0 引言

對(duì)于高層及超高層鋼結(jié)構(gòu)體系，普通框架的抗側(cè)剛度已經(jīng)不能滿足風(fēng)與地震作用的設(shè)計(jì)需求。支撐鋼框架體系是指在框架指定位置布設(shè)鋼支撐，通過(guò)支撐構(gòu)件的軸向拉壓抵抗水平荷載，以保證整體結(jié)構(gòu)的安全。該體系框架部分發(fā)生剪切型變形，底部層間位移大，抗側(cè)剛度小；支撐部分發(fā)生彎曲型變形，底部層間位移小，抗側(cè)剛度大。兩者并聯(lián)能夠明顯優(yōu)化層間位移的分布[1]，避免薄弱層產(chǎn)生，具有良好的抗震性能。

目前國(guó)內(nèi)外比較流行的抗震分析軟件有：Abaqus，Perform3D，Midas，SAP2000，Sausage等。其中Perform3D是一款專門(mén)用于動(dòng)力彈塑性分析和結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估的軟件。Perform 3D具有豐富的彈塑性計(jì)算單元，采用常加速度時(shí)程積分法，與FEMA356，ATC40等規(guī)范融合的非常到位，其計(jì)算結(jié)果可以直接指導(dǎo)工程實(shí)踐。本文推導(dǎo)了支撐框架體系在倒三角荷載下的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，建立了Perform3D的彈塑性分析模型，通過(guò)非線性時(shí)程分析獲得結(jié)構(gòu)在大震下的動(dòng)力響應(yīng)，并對(duì)支撐鋼框架體系的抗震性能進(jìn)行了總結(jié)。

2 分析結(jié)果

根據(jù)非線性時(shí)程分析結(jié)果，分別提取支撐鋼框架體系和對(duì)比純框架體系的層間位移角（規(guī)范對(duì)于結(jié)構(gòu)在大震下的要求為層間位移角小于1/50）。計(jì)算各個(gè)樓層層間位移角峰值在七條波下的平均值，如圖2所示。

由圖2可以看出，相比于純框架體系，大震下結(jié)（下轉(zhuǎn)第140頁(yè)）（上接第133頁(yè)）構(gòu)的層間位移角銳減，且分布非常均勻，沒(méi)有出現(xiàn)薄弱層，各個(gè)樓層均滿足規(guī)范1/50的限值要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，大震下變形性能良好。純框架體系的層間位移角明顯高于支撐鋼框架體系，底部變形很大，上部樓層變形較小，層間位移角已經(jīng)超出規(guī)范的限值要求，大震下結(jié)構(gòu)的抗震能力不夠，甚至已經(jīng)倒塌失效。此外，支撐鋼框架體系在頂部的層間位移角略大于純框架體系頂部的層間位移角，這是由于支撐部分呈現(xiàn)彎曲型變形模式，對(duì)于框架部分剪切型變形模式具有附加的頂部約束作用，從而使得支撐框架體系在頂部的層間位移角偏大，但其量值仍在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)。

圖2 非線性時(shí)程分析結(jié)果

3 結(jié)論

1）本文對(duì)支撐框架體系的抗側(cè)剛度進(jìn)行了連續(xù)化等效，基于位移協(xié)調(diào)條件推導(dǎo)了結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，具有一定的工程意義。

2）采用Perform3D建立了彈塑性分析模型，受彎構(gòu)件及壓彎構(gòu)件通過(guò)纖維單元考慮其彎、剪、扭的受力性能及相互影響。支撐構(gòu)件采用軸力桿模型，通過(guò)基于材料的單軸屈曲本構(gòu)考慮構(gòu)件的整體失穩(wěn)，全面反映了構(gòu)件的滯回性能。以上建模方式大大簡(jiǎn)化了分析模型，且精度滿足工程實(shí)際的要求。

3）由兩種模型非線性時(shí)程分析結(jié)果的對(duì)比可知，支撐鋼框架體系可以大大提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，使結(jié)構(gòu)的層間位移分布更加均勻，有效避免了薄弱層的產(chǎn)生，具有良好的抗震性能。

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