支撐體系對巨型框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響分析

張童心

摘? 要：文章運用大型有限元分析軟件ANSYS建立32層24m×24m的巨型框架結(jié)構(gòu)模型，分別對結(jié)構(gòu)加載三種不同加速度峰值的ELCENTRO波、Taft波和南京波，對未設(shè)置任何支撐和設(shè)置不同形式支撐的巨型框架結(jié)構(gòu)共計三組工況進行模態(tài)分析和動力反應分析，分析支撐體系的變化對巨型框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響。

關(guān)鍵詞：巨型框架結(jié)構(gòu);中心支撐;模態(tài)分析;時程分析;結(jié)構(gòu)抗震;地震響應分析

中圖分類號：TU398.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）18-0012-04

Abstract： This paper uses the large-scale finite element analysis software ANSYS to establish a 32-story 24m × 24m mega-frame structure model and loads three kinds of waves， i.e. ELCENTRO wave， Taft wave and Nanjing wave with different peak accelerations. The modal analysis and dynamic response analysis are carried out for the mega-frame structure without any braces and with different forms of braces， and the influence of the change of the bracing system on the overall seismic performance of the mega-frame structure is analyzed.

Keywords： mega-frame structure; central brace; modal analysis; time-history analysis; structural earthquake resistance; seismic response analysis

巨型框架[1-3]結(jié)構(gòu)是由柱距很大的巨型柱、巨型梁以及普通厚度的樓板組成的一種新型的框架結(jié)構(gòu)體系[4-5]。所謂的巨型梁、巨型柱，指的是比普通框架結(jié)構(gòu)里面的柱、梁截面尺寸大很多的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。巨型柱的布置一般比較簡單，通常放置在結(jié)構(gòu)的四角處，巨型梁一般是隔一定的層數(shù)設(shè)置的一道截面很多的梁，有著和剪力墻一樣的剛度;其余的柱子和梁為次框架的柱和次框架的梁，布置在巨型梁層之間，其尺寸為普通或者比普通較小尺寸的結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的普通框架結(jié)構(gòu)[6]。

1 工程概況

原結(jié)構(gòu)為某實際混凝土巨型框架結(jié)構(gòu)，該建筑為標準設(shè)防類（丙類），抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.15g，設(shè)計地震分組為二組，場地類別為Ⅱ類，抗震等級為二級。該建筑總高115.2m，為32層巨型框架結(jié)構(gòu)，層高3.6m，平面尺寸為24m×24m，主框架柱為巨型框架柱，分別設(shè)置在主結(jié)構(gòu)的四角，主框架梁為巨型梁，分別設(shè)置在建筑結(jié)構(gòu)的8層、16層、24層和32層，主框架層高28.8m，次框架布置在其中，總高8層。所有柱子間距均為6m。平面布置如圖1所示，有限元模型如圖2所示，本模型中所有梁柱節(jié)點均為剛接，底層所有節(jié)點約束為固結(jié)。

2 鋼支撐截面的設(shè)計與選擇

根據(jù)模型的荷載條件并且通過結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算和節(jié)點平衡可初步得出支撐的最大軸力，然后根據(jù)得到的軸力計算出支撐的截面面積，其中符合支撐截面面積條件的有多種截面形式，本文選擇雙角鋼組成的十字型截面支撐，因其截面具有對稱性，且具備明確的屈曲工作機理，不會對主體結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生明顯的影響，所以是本文鋼支撐理想的支撐截面，經(jīng)過進一步對截面尺寸的篩選，最終選擇熱軋等邊角鋼2∠160×14組成十字型截面，支撐計算簡圖和橫截面簡圖如圖3所示，其截面面積是43.296mm2×2=86.598mm2。

3 原始模型與次框架支撐模型的動力響應分析

本文所研究的模型分為三個工況，如表1所示，分別對下表中的三個工況加載70cm/s2、140cm/s2和400cm/s2的ELCENTRO波、Taft波和南京波，由于本文研究的建筑結(jié)構(gòu)屬于高層建筑結(jié)構(gòu)，在地震波的作用下結(jié)構(gòu)的上半部分易產(chǎn)生較大的水平位移，而支撐可以有效的減小地震中結(jié)構(gòu)上半部分的水平位移，所以在模型的17-32層加設(shè)支撐，然后對比工況之間的水平位移反應情況和加速度反應情況并進行分析。

本節(jié)對三個工況進行了在加速度峰值為70cm/s2地震波作用下的動力時程分析，結(jié)構(gòu)的層角位移角如圖4、表3所示。

由圖4、表3所示，工況一和工況三在南京波的作用下在結(jié)構(gòu)的中部偶有超限的部分，工況一超限的部分最多，這對于之后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供重要的信息。層間位移角曲線的拐點均出現(xiàn)在巨型梁所在的樓層，可見在這些樓層的抗側(cè)移剛度比較大。其中，工況二在所有情況中展現(xiàn)出的抗震性能是最為優(yōu)越的，層間位移角變化突變的情況較少，通過布置單斜支撐從而改善了結(jié)構(gòu)的整體剛度，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能，有效的吸收了地震對結(jié)構(gòu)的能量輸入，保證了結(jié)構(gòu)安全。

分別對原始模型和次框架支撐模型加載三種不同加速度峰值的地震波，進行動力反應分析，并且分別將工況一、工況二和工況三的位移值進行對比分析。模型的位移響應如表4所示。

根據(jù)表4，通過本節(jié)的研究得出了以下結(jié)論：

（1）模型加載ELCENTRO波的位移響應情況，如表5所示。

（2）模型加載Taft波的位移響應情況，如表6所示。

（3）模型加載南京波的位移響應情況，如表7所示。

4 結(jié)論

（1）通過對比同一工況加載三種不同加速度峰值地震波作用下的結(jié)構(gòu)水平位移的情況可知：對工況一、工況二和工況三影響最大就是南京波，最大的水平位移均在南京波的加載下出現(xiàn)。

（2）在次框架中設(shè)置支撐對于減少結(jié)構(gòu)在地震作用中產(chǎn)生的位移值有比較大的幫助，可以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，對控制側(cè)移的幫助較為明顯，能夠有效的保證主體結(jié)構(gòu)的安全。

參考文獻：

[1]A.Iannuzzi， P.spinelli.Artificial wind generation and structural response[J].Structural of Engineering ASCE， 1987，113（12）：19-25.

[2]Iwatani， simulation of multidmensional wind fluctions having any arbitary power spectra and cross-spectra[J].Journal of Wind Engineering， 1982，36（3）：36-45.

[3]m.shinozuka， c.m.Jan.Digital simulation of random processes and its application[J]. Sound and Vibration， 1972，25（2）：18-23.

[4]康新杰.剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用[J].工程技術(shù)研究，2017（10）：207，222.

[5]魏劍俠.高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與應用[D].鄭州：鄭州大學，2007.

[6]周堅，陳崢.超高層建筑巨型框架結(jié)構(gòu)簡化分析的再研究[A].中國會議，2004.