基于ETABS軟件的型鋼-混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能分析

于建東，葛楠

(華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

引言

同等截面條件下型鋼混凝土相比于鋼筋混凝土具有更大的承載力和剛度；相比于同等條件下的鋼結(jié)構(gòu)，型鋼混凝土具有防火性能好，穩(wěn)定性好和節(jié)省鋼材的優(yōu)點。因此，推廣采用型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)，對我國提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能具有重要的意義。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)中已得到較多應(yīng)用，如銀泰時代中心[1]、重慶國瑞中心塔[2]。

徐培福[3]對30層型鋼混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)進行了擬靜力試驗，得出了型鋼混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)具有很好的穩(wěn)定性和延性。薛建陽[4]采用擬靜力試驗，對型鋼混凝土和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點進行分析，結(jié)果表明型鋼混凝土節(jié)點的延性及抗震性能更好。鄭山鎖[5]將不同軸壓比、不同混凝土強度等級的5榀型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)進行試驗比較，得出由于型鋼的原因使高強混凝土也能滿足抗震設(shè)計要求。薛建陽[6]將型鋼混凝土異形柱按“9層邊-4角-4中”節(jié)點的形式進行低周往復(fù)加載試驗，主要呈現(xiàn)節(jié)點的剪切斜壓和彎剪破壞。熊學(xué)玉[7]對2榀單跨預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土框架進行靜力試驗，得出預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)相對于普通混凝土框架結(jié)構(gòu)調(diào)幅值達到30%的結(jié)果。

由于《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[8](GB18036-2015)首次提到并且給出了極罕遇地震的指標(biāo)，所以有必要對型鋼混凝土柱框架結(jié)構(gòu)進行強震抗震研究。該項研究對一棟采用型鋼混凝土柱-鋼筋混凝土梁的6層框架結(jié)構(gòu)利用分析程序ETABS采用振型分解反應(yīng)譜法和動力彈塑性法進行罕遇地震及極罕遇地震分析，根據(jù)計算結(jié)果評價型鋼混凝土柱結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1 結(jié)構(gòu)概況

為了驗證型鋼混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能，取某型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震等級為2級，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.2 g，場地設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為II類，特征周期為Tg= 0.35 s，阻尼比為0.5，結(jié)構(gòu)為6層，高為18 m，寬為42.5 m。各層柱截面尺寸600 mm×600 mm，H型鋼360 mm×360 mm×18 mm×23 mm，梁截面600 mm×400 mm，樓板厚度采用150 mm。梁、柱均采用C40混凝土。

圖1 型鋼混凝土柱框架結(jié)構(gòu)平面圖 圖2 型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)三維布置圖

2 反應(yīng)譜分析

地震作用反應(yīng)譜分析本質(zhì)上是一種擬動力分析方法，也是一種統(tǒng)計方法，通過動力分析結(jié)構(gòu)對地震效應(yīng)的影響，再通過統(tǒng)計的方法形成反應(yīng)譜曲線，對于反應(yīng)譜分析振型組合分析，一般有CQC法、SRSS法、ABS法等組合方法，該項研究采用CQC法進行地震作用組合[9]。

2.1 8度(0.2 g)罕遇地震反應(yīng)譜分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[10](GB50011-2010)第5.1條，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為8度(0.2 g)，場地設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為II類，罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)水平地震影響系數(shù)最大值為0.9，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[8](GB18036-2015)，由插值法求得極罕遇地震的影響系數(shù)最大值為1.5。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[10](GB50011-2010)第5.1條規(guī)定，罕遇和極罕遇地震作用下，其特征周期均需要增加0.05 s。通過反應(yīng)譜分析得到8度(0.2 g)罕遇地震和極罕遇地震作用下，該結(jié)構(gòu)在X方向和Y方向的水平側(cè)移情況。

通過8度(0.2 g)罕遇地震反應(yīng)譜分析，分別在X和Y方向得到的層剪力、層間位移角、樓層位移如表1所示。

表1 罕遇地震反應(yīng)譜分析數(shù)據(jù)

2.2 8度(0.2 g)極罕遇地震反應(yīng)譜分析

極罕遇是相應(yīng)于年超越概率為10-4的地震動。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)畫圖》[8](GB18036-2015)6.2條規(guī)定，取基本地震動加速度數(shù)值的2.7～3.2倍為極罕遇地震動條件下峰值加速度。

通過8度(0.2 g)極罕遇地震反應(yīng)譜分析，分別在X和Y方向得到的層剪力、層間位移角、樓層位移如表2所示。

表2 極罕遇地震反應(yīng)譜分析數(shù)據(jù)表

從以上的結(jié)果分析可知：

(1)在罕遇地震和極罕遇地震狀態(tài)下，層位移逐漸增大，最大值分別為53.09 mm和101.39 mm，結(jié)構(gòu)變形較小，能反應(yīng)出型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

(2)在罕遇地震和極罕遇地震狀態(tài)下，層間位移角最大值為1/246 rad和1/129 rad，均小于1/50 rad，滿足“大震不倒”的標(biāo)準(zhǔn)。

(3)從罕遇地震和極罕遇地震狀態(tài)下，層剪力均勻分布并逐漸減少，并且X方向剪力均稍小于Y方向剪力，說明X方向吸收地震力作用強。

3 動力時程分析

雖然運用反應(yīng)譜分析方法具有很多優(yōu)點，但其方法本質(zhì)是擬動力分析方法，不是結(jié)構(gòu)的真實動力響應(yīng)，只是對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)的最大值進行估算；時程分析是更加真實的動力分析，動力平衡方程形式如式(1)所示[11]：

(1)

時程分析的積分方式有模態(tài)積分和直接積分，模態(tài)積分是通過以模態(tài)分析結(jié)果為基礎(chǔ)的，通過不同的模態(tài)積分求解得到結(jié)構(gòu)的響應(yīng)值，模態(tài)積分又稱為FNA，本例采用FNA方法[12]。

3.1 地震波的選取

圖3為8條地震波反應(yīng)譜對比圖

圖3 地震波反應(yīng)譜對比圖

圖3中運用ETABS軟件采用FNA法對結(jié)構(gòu)計算模型進行地震作用下的動力時程分析，并進行比較。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[10](GB50011-2010)規(guī)定，當(dāng)取7組以上的時程曲線時，采用時程分析法的平均值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值，作為計算結(jié)果。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)第5.1.2條[10]規(guī)定，利用PKPM地震數(shù)據(jù)生成器EQW64，生成地震波的加速度反應(yīng)譜，并和規(guī)范加速度譜畫在同一張圖里。

3.2 8度(0.2g)罕遇地震作用

按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[10](GB50011-2010)規(guī)定，調(diào)整地震波加速度峰值，罕遇地震的加速度為0.9 g，且約為多遇地震的5.6倍，所以在8度(0.2 g)罕遇地震下，將加速度峰值調(diào)整到400 cm/s2，各地震波調(diào)整系數(shù)如表3所示。

表3 地震波調(diào)整系數(shù)

分別在X方向和Y方向施加地震力。得到的基地剪力如表4所示。

表4 罕遇地震作用下基底剪力

從表4中可知，結(jié)構(gòu)X向和Y向單條時程曲線的基底剪力最大比值分別為112%和112%，滿足65%～135%的要求，所有時程曲線基底剪力平均比值分別為95%和96%，滿足80%～120%的要求[10]。

得到的樓頂位移與最大層間位移角如表5所示。

表5 罕遇地震作用下樓頂位移與最大層間位移角

從表5中可知，結(jié)構(gòu)的X向和Y向的最大層間位移角值為1/180和1/187，滿足框架結(jié)構(gòu)在罕遇狀態(tài)下對結(jié)構(gòu)層間位移角應(yīng)小于1/50的要求，主要是控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的水平位移，滿足“大震不倒”的標(biāo)準(zhǔn)。圖4所示為罕遇地震下X和Y方向曲線。

3.3 8度(0.2 g)極罕遇地震作用

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[8]6.2條規(guī)定：取基本地震動加速度數(shù)值的2.7～3.2倍為極罕遇地震動條件下峰值加速度。

在8度(0.2g)極罕遇地震下，將加速度峰值調(diào)整到600 cm/s2，各地震波調(diào)整系數(shù)如表6所示。

表6 地震波調(diào)整系數(shù)

分別在X方向和Y方向施加地震力。得到的基地剪力如表7所示。

表7 極罕遇地震作用下基底剪力

從表7可知，結(jié)構(gòu)的X向和Y向單條時程曲線的基底剪力最大比值分別為101%和101%，滿足65%～135%的要求，所有時程曲線基底剪力平均比值分別為85%和87%，滿足80%～120%的要求[10]。

得到的樓頂位移與最大層間位移角如表8所示。

表8 極罕遇地震作用下樓頂位移與最大層間位移角

從表8中可知，結(jié)構(gòu)X向和Y向的最大層間位移角值為1/120和1/120，滿足框架結(jié)構(gòu)在罕遇狀態(tài)下對結(jié)構(gòu)層間位移角應(yīng)小于1/50的要求，主要是控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的水平位移，滿足“大震不倒”的標(biāo)準(zhǔn)。

圖5所示為極罕遇地震下X和Y方向曲線。

從各地震波作用下結(jié)構(gòu)基底剪力、層剪力、層間位移角和最大頂點位移結(jié)果中可以看出，各層之間的相對位移保持基本不變。層間位移角曲線變化光滑，說明結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生新的剛度突變，使結(jié)構(gòu)處于平穩(wěn)狀態(tài)，說明型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能。

4 結(jié)論

(1)在高烈度強震作用下，層間位移角的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1/50，說明型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)有很好的抗震性能，滿足“大震不倒”的標(biāo)準(zhǔn)。

(2)型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的X向?qū)蛹袅∮赮向?qū)蛹袅Γ瑵M足X方向是主方向吸收地震力作用。推動了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在以后工程上投入使用。