钢骨-钢管混凝土框架结构抗震性能比较

谭燕秋,韩旭飞,史三元,张宏磊

(1.河北工程大学 土木工程学院,河北邯郸 056038;2.中国新兴保信建设总公司,北京 100079)

钢骨-钢管混凝土结构是在钢管混凝土结构中置入钢骨而形成的一种新型结构形式[1-2],通过钢管、钢骨和混凝土三者协同工作可提高构件的承载力、延性及耐火性,减小构件截面尺寸,增加建筑物使用空间。目前,国内外对钢骨-钢管混凝土抗震性能的研究还主要集中在基本构件方面[3-7],对组合框架整体结构抗震性研究尚不完善[8-11]。本文采用SAP2000有限元分析软件对2栋8层钢骨-钢管混凝土框架结构和钢管混凝土框架结构进行了模态分析,并对2类结构在不同地震波作用下的位移和加速度进行比较,为该类结构抗震设计提供参考。

1 动力弹塑性时程分析

弹塑性时程分析法是将结构视为弹塑性振动体系,直接按照地震波数据输入地面运动,通过相应积分方式求得结构在每一时刻的动力响应。时程分析的积分方式有多种,本文采用HHT积分法。

多高层建筑在水平地震作用下,产生的平面振动微分方程为

式中[M] —质量矩阵;[K] —结构抗侧刚度矩阵;[C] —阻尼矩阵。

2 模型分析

2.1 建立

建立二维平面框架结构模型,并利用SAP2000有限元分析软件分别对钢骨-钢管混凝土框架结构和钢管混凝土框架结构进行动力特性分析和动力响应分析。

分析模型为8层钢骨-钢管混凝土框架结构和钢管混凝土框架结构(如图1所示),模型层高3 m,柱距8 m,钢梁截面采用H600 mm×300 mm×14 mm×23 mm,钢材为Q345。钢骨-钢管混凝土柱截面为400 mm×400 mm,钢材为Q345,混凝土强度等级为C40,钢管壁厚20 mm,钢骨为H300 mm×300 mm×12 mm×12 mm;钢管混凝土柱截面为400 mm×400mm,钢材为Q345,混凝土强度等级为C40,钢管壁厚20 mm。在SAP2000中,框架梁柱构件由杆单元模拟。该结构按8度抗震设防,场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第二组,场地特征周期为0.40 s,设计基本地震加速度为0.20g。分析2类结构在多种地震波作用下的地震反应。

2.2 动力特性分析

表1给出了钢骨-钢管混凝土框架结构与钢管混凝土框架结构的前10阶自振周期。可以看出,钢骨-钢管混凝土框架结构的自振周期明显小于钢管混凝土框架结构,刚度较钢管混凝土结构有所增加,故在建筑结构中构件截面尺寸一定的情况下,较钢管混凝土结构,钢骨-钢管混凝土结构可使构件刚度更大,抗震性更好。

表1 结构的前10阶自振周期Tab.1 Top 10 order nature periods of the structures s

表2 两类结构的地震反应层间位移最大值Tab.2 Maximum displacements of two kinds of structures mm

2.3 结构地震响应分析

1)位移分析。表2给出了在不同地震波作用下两类结构的地震反应层间位移最大值。可以看出,钢骨-钢管混凝土结构和钢管混凝土结构在不同地震波作用下,层间位移值均出现在顶层,但钢骨-钢管混凝土结构的层间位移均小于钢管混凝土结构,在El Centro波、兰州波、唐山波作用下,顶层的层间最大位移角分别为 l/19 600、1/42 692、1/17 773,钢管混凝土结构顶层的层间位移最大值分别为 1/15 959、1/42 070、1/8 850,均未超过规范的层间位移限值1/550,但钢骨-钢管混凝土结构顶层的层间最大位移角明显小于钢管混凝土结构。从上面的分析,钢骨-钢管混凝土结构由于刚度较大且刚度退化速度小,对地震的响应弱于钢管混凝土结构,即抗震性能优于钢管混凝土结构。

2)加速度分析。两类结构顶层在3种地震波作用下的加速度时程曲线如图3所示。由计算结果知,El Centro波作用下钢骨-钢管混凝土结构顶层的最大绝对加速度为1.904 m/s2,钢管混凝土结构顶层的最大绝对加速度为1.961 m/s2;兰州波作用下钢骨-钢管混凝土结构顶层的最大绝对加速度为0.697 m/s2,钢管混凝土结构顶层的最大绝对加速度为1.126 m/s2;唐山波作用下钢骨-钢管混凝土结构顶层的最大绝对加速度为2.175 m/s2,钢管混凝土结构顶层的最大绝对加速度为2.474 m/s2。由此可知,在3种地震波作用下,钢骨-钢管混凝土结构的水平向加速度峰值均比钢管混凝土结构的加速度峰值有所降低。

3)基底剪力分析。表3给出了2类结构在不同地震波作用下基底剪力最大值。

表3 两类结构基底剪力最大值Tab.3 Maximum shear force of the bottom of two kinds of structures N

由表3可知,钢骨-钢管混凝土结构在不同地震波作用下的基底剪力最大值均小于钢管混凝土结构,说明其刚度退化速度慢于钢管混凝土结构,对地震的迟滞作用好于钢管混凝土结构。

3 结论

1)钢骨-钢管混凝土框架结构在不同地震波作用下的层间位移最大值、顶层的最大层间位移角均比钢管混凝土框架结构小,说明钢骨-钢管混凝土框架抵抗水平地震作用的能力优于钢管混凝土框架。

2)从2类结构顶层的加速度时程曲线来看,钢骨-钢管混凝土结构对地震的响应要弱于钢管混凝土结构,说明其抗震性能更好。

3)在不同地震波作用下钢骨-钢管混凝土框架的基底剪力最大值小于钢管混凝土框架,说明钢骨-钢管混凝土结构对地震的迟滞作用好于钢管混凝土结构。

[1] 徐亚丰,赵敬义,张世宪,等.钢骨-钢管混凝土柱抗震性能试验研究[J] .建筑钢结构进展,2009,11(3):4-11.

[2] 徐亚丰,贾连光.钢骨-钢管混凝土结构技术[M] .北京:科学出版社,2009.

[3] 王涛,孟丽岩,孙景江,等.框架-剪力墙结构三维弹塑性地震反应[J] .黑龙江科技学院学报,2009,19(1):30-33.

[4] 靳翠军,刘卫群,杨小军.高层建筑结构地震响应问题的ANSYS分析[J] .黑龙江科技学院学报,2007,17(1):54-58.

[5] 史三元,刘春生,马裕超,等.隅撑支撑钢框架结构抗震性能分析[J] .河北工程大学学报:自然科学版,2009,26(3):8-11.

[6] 魏翠玲,刘会欣,韩亚强,等.型钢混凝土-钢筋混凝土混合结构的静力弹塑性分析[J] .河北工程大学学报:自然科学版,2009,26(3):12-14.

[7] 李华,黎立云.钢管混凝土组合节点的非线性有限元分析[J] .河北工程大学学报:自然科学版,2010,27(1):25-28.

[8] 王文达,韩林海,陶忠.钢管混凝土柱-钢梁平面框架抗震性能的试验研究[J] ,建筑结构学报,2006,27(3):48-58.

[9] 杜国锋,徐礼华,许成祥,等.钢管混凝土框架结构抗震性能[J] .哈尔滨工业大学学报,2009,41(10):123-128.

[10] SAKINO K.Behavior of concrete filled steel tubular stub columns under concentric loading[C] //Proc of the Third Inter Confer On Steel-concrete Composite Structures.Fukuka:ASCCS,1991:25-30.

[11] G E H B,USAMI T.Cyclic tests of concrete-filled steel box columns[J] .Journal of Structural Engineering,2000,122(10):15.