某小高层钢结构住宅的抗震性能分析

王涛

【摘 要】 本文以某小高层钢结构住宅为例，利用SAP2000软件，对三种不同的结构形式：框架结构、框架—剪力墙结构和框架—支撑结构，进行抗震性能分析，主要包括模态分析、反应谱分析和基于pushover方法的分析。根据计算结果，对三种不同的结构形式抗震性能进行比较。

【关键词】 小高层 钢结构 住宅 抗震性能

1、绪论

目前，我国对于小高层钢结构还没有明确的定义，一般认为24m以上的建筑为高层建筑，在钢结构形式的住宅当中，认为结构的建筑高度超过24m，低于50m，而且结构的层数大于7层的建筑为小高层建筑。高层钢结构住宅具有良好的经济效益，尤其是采用标准化生产的方式，可以更好的节约成本，提高效益，但是目前，对多高层钢结构住宅的研究较为广泛和深入，对小高层钢结构住宅的抗震性能分析不足，制约其发展和推广。

本文以某住宅项目为例，综合比较纯框架、框架—剪力墙和框架—支撑三种结构形式在8度的地震作用下的响应，比较分析结构形式的特点。

2、工程概况

本工程的轴线长度为38.4米，宽度为16.2米，主体结构的高度为40.5米，建筑的总高度为41.6米，共十一层，建筑的高宽比是2.49，小于8度抗震设计的限值（6.0），工程的建筑面积是6491平方米。结构的建筑场地类型为Ⅱ类，8度抗震要求，结构设计地震分组为第三组。在结构的抗震分析计算当中，假定柱和基础为刚性连接，主梁和柱为双向刚性连接，支撑及次梁为铰接连接。结构的平面布置如下图1所示。

2.1 荷载

结构的楼面恒荷载根据建筑材料的自重进行统计计算，活荷载取值为2.0kN/m2，在软件计算当中为模拟隔断墙的自重，在主梁上施加2.5kN/m的恒荷载，屋面的恒荷载和活荷载取值为0.5kN/m2。

2.2 结构形式和材料属性

本次计算分析三种钢结构形式，分别为框架结构、框架—剪力墙结构和框架—支撑结构，各个结构形式的结构布置和材料如下。

框架结构、框架—剪力墙结构及框架—支撑结构的主梁、次梁和主柱均采用Q345钢。主梁的截面尺寸为H400mm×200mm×8mm×13mm，次梁的截面尺寸为H350mm×200mm×8mm×10mm，主柱的截面尺寸为H350mm×350mm×18mm。楼板采用C20混凝土，HRB235钢筋，楼板厚度均为100mm。剪力墙采用C30混凝土，HRB235钢筋，剪力墙的厚度为200mm。支撑的截面尺寸为H150mm×150mm×7mm×10mm，主柱的截面尺寸为H350mm×350mm×18mm。楼板采用C20混凝土，HRB235钢筋。

3、计算结果

本次计算利用SAP2000对结构先后进行模态分析，反应谱分析和基于pushover方法的计算分析，在建模计算的过程中，为了保证露面荷载能够顺利的传递，使用面截面膜单元进行建模，假定Z轴的约束是刚性。

3.1 结构的模态分析

模态分析计算结果提取结构的动力特征值主要包括：结构的固有频率、振型和周期。计算结果表明动荷载作用下，该钢结构住宅的低阶振型是控制作用的振型，对于结构的内力和位移的贡献比较大。因此取结构前三阶的振型进行分析，忽略高阶振型对结构的影响。各个结构形式的前三阶模态分析数据如下表1。

由计算结果可知，框架结构的周期较大，周期下降的速度较慢，振型刚度较小，质量参与系数的密度较大；框架—剪力墙结构的刚度最大，周期下降的速度最快，振兴的特征也十分明显，扭矩出现的比较早，这是因为剪力墙集中布置在电梯井周围的原因；框架—支撑结构的周期最小，周期下降的速度缓慢，结构的刚度较大，质量参与系数比较分散。总的来说，通过模态分析的计算结果和理论推断的结果相比较，可以判断出模型建立的正确性，值得注意的是框架—剪力墙结构的扭矩出现较早，说明剪力墙布置不够合理，在结果中有所体现。

3.2 结构的反应谱分析

根据《建筑结构抗震设计规范》的规定，多遇地震作用下地震的影响系数取为0.16，结构的阻尼比取为0.035，场地的特征周期取为0.45s，分别对三种结构形式进行X和Y方向的地震反应谱计算分析，其中列出x方向的计算结果见表1。

由计算结果可以看出，8度地震作用下，支撑及剪力墙对柱底剪力的分担效果十分明显，柱底部剪力和框架结构相比明显减小，说明框架结构和另外两种结构相比抗侧移能力较差，X和Y方向的顶点位移和最大层间位移都很大；框架—支撑结构的支撑分散布置，在增加结构刚度额同时没有给柱子增加很明显的竖向承载力，剪重比数值较小，在罕遇地震非线性分析中考虑结构自重的二阶效应很有必要.

3.3 基于pushover方法的分析

对框架结构和框架—支撑结构进行罕遇地震作用下基于pushover方法的分析，由于SAP2000对框架—剪力墙结构不能直接进行pushover分析，因此，在这里不再进行讨论。采用X和Y方向单独推覆，收集代表性的推覆步和剖面进行观察和比较，截取x方向计算结果见下图2至图3。

由计算结果可知，框架结构在X和Y方向的塑性铰都是首先出现在梁上，这符合对结构强柱弱梁设计的分析。框架—支撑结构的支撑上最先出现塑性铰，消耗地震能量，增加了结构的整体延性。

框架结构的性能点在X方向的位移为313mm，在Y方向的位移为302mm，框架—支撑结构的性能点在X方向的位移为225mm，在Y方向的位移为201mm。框架—支撑结构在罕遇地震作用下控制结构位移的能力更加优越。

4、结论

本文通过对某十一层钢结构住宅框架结构、框架—剪力墙结构和框架—支撑结构在8度地区的地震作用计算分析，得出如下结论：

（1）不同的结构形式在地震作用下，结构自身的振型、周期、刚度相差较大，从而影响结构的受力，框架结构的周期较大，地震作用下结构的侧移较大，在小高层结构当中适当布置支撑和剪力墙能够较好的控制结构的侧移。

（2）框架—支撑结构在地震作用下的抗侧移能力较强，但是结构自身的支撑在地震作用下易出现塑性铰，可以利用这一点布置防屈曲支撑来消耗地震作用的能量。

（3）框架—剪力墙结构的层间位移和层间位移角沿高度方向变化很小，在地震作用下控制结构的位移和剪力方面有优势。

参考文献

[1] GB50009-2001（2006年版）.建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002

[2] 李国强.多高层建筑钢结构设计.中国建筑工业出版社，2004

[3] 辛炯明.多高层钢结构住宅抗震性能研究.北京交通大学.2009

[4] 北京金土木软件技术有限公司.SAP2000中文版使用指南.北京：人民交通出版社.2006.9

[5] GB50017-2003.钢结构设计规范[S].北京.中国建筑工业出版社2003