偏心支撑对不规则钢框架结构的抗震性能影响分析

王　彪，雷庆关,2

(1.安徽建筑大学，安徽 合肥 230601； 2.合肥工业大学，安徽 合肥 230009)



偏心支撑对不规则钢框架结构的抗震性能影响分析

王彪1，雷庆关1,2

(1.安徽建筑大学，安徽 合肥 230601； 2.合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

摘要：高层建筑偏心支撑钢框架结构作为一种新型结构体系近年来得到迅猛的发展，在地震作用下，偏心支撑钢框架的耗能梁段率先受剪屈服,通过它的塑性变形来耗散地震能量,从而减小结构其他构件的受力,以保证整个结构的安全。本文是从总耗能长度一致的情况下,分析了其对偏心支撑钢框架抗震性能的影响。本文运用有限元分析软件SAP2000,分别对四种形式(人字形、V字形、八字形、单斜杆)的偏心支撑进行分析。

关键词：钢框架；偏心支撑框架；抗震性能；时程分析

0引言

钢框架偏心支撑结构在高层钢结构建筑中常用的结构形式，钢框架支撑结构是在钢框架结构的基础上，通过在部分框架柱之间布置支撑来提高结构承载力及侧向刚度。支撑体系与框架体系共同作用形成双重抗侧力结构体系，这不但为结构在正常受力情况下提供了一定的刚度，而且为结构在水平地震作用及较大风荷载作用下，提供了两道受力防线，形成了人们较理想的破坏机制。

偏心支撑框架的每根支撑应至少有一端与框架梁连接，并在支撑与梁交点和柱之间或同一跨内另一支撑与梁交点之间形成消能梁段。偏心支撑包括人字形偏心支撑，V字形偏心支撑，八字形偏心支撑，单斜杆偏心支撑等。偏心支撑适用于抗震设防等级较高的地区或安全等级要求较高的建筑，而且相对中心支撑而言可以比较容易解决门窗布置受限的难题。 本文主要通过SAP2000对耗能长度一致的四种上述偏心支撑在地震作用下的响应影响分析，探讨上述四种偏心支撑的布置方式对不规则钢结构建筑物的地震响应影响。

1分析理论

地震分析的理论方法主要分为弹性地震反应分析以及非弹性的地震反应分析[1]。本文主要介反应谱分析法以及时程分析法。地震作用的反应谱分析从本质上来说是用模拟的动力分析的方法来对地震响应分析，然后统计成反应谱曲线，最后的结构分析是通过静力的方法实现的[2]。反应谱分析的方法[3]如下：

(1)

公式(1)考虑了三个方向的地震力作用，我们通常根据公式(2)绘制最大响应ymax(ω)的曲线：

(2)

然后根据Tn的第n阶振型与之对应的反应谱值S(ωn)可以得到结构的最大模态位移如式(3)：

(3)

结构的最大模态响应位移为式(4):

(4)

反应谱分析方法能够弥补结构时程分析法的不足，时程分析的方法在本质上属于拟动力方法，它只是对结构动力响应最大值进行估算，但它并不是对结构真实的动力响应分析。线性时程主要是通过结构的基本动力微分方程公式(5)进行求解得到结构在动力荷载作用下结构的基本响应大小的方法[4]。如下式：

(5)

2工程背景及模型介绍

本工程处于8度区，二类场地，第三组，21层钢框架，底层4.5m,2层以上3.5m采用高层钢框架结构三维模型(如图1),共20层,一层层高4.5m，其余层高各3.6m，总共74.5m。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》H1/H=28.9%>20%;其次B1/B=66.7%<75%.故此结构为不规则的竖向结构[5]。楼面采用混凝土楼板,楼板厚度100mm，恒荷载为4kN/m,活荷载为2kN/m,边梁线荷载10kN/m,基本风压0.35， 构件尺寸均符合《抗震规范》关于长细比及宽厚比的限值要求，钢材选用Q345钢[6]，梁柱构件如表1和表2。

图1三维模型图

图2钢框架计算模型

模型选用了四种偏心支撑形式,分别是方案A(偏心人字形支撑)，方案B (偏心八字形支撑)，方案C(偏心V字形支撑)以及方案D(单斜杆支撑)，每一独立模型只布置一种偏心支撑形式，每一种偏心支撑的耗能段均布置1000mm，支撑的布置区间如图2。

表1　柱梁构件的截面表

表2　梁构件截面表

3计算结果

3.1抗侧力分析

本文先对框架顶点施加大小为10KN水平荷载进行分析，得出最大位移和抗侧刚度如表3。

表3　层框架的位移和抗侧刚度

从表3中可以得出：人字形，v字形偏心支撑的抗侧力要强于八字形和单斜杆字形偏心支撑，尤其是人字形偏心支撑的位移要少于单斜杆15%。

3.2模态分析

模态分析主要利用Ritz向量分析以及特征向量分析，得出各个振型及其对应的自振周期，是振型反应谱法的前期工作。本文选取前21个振型，运用SAP2000可以得出自振周期如表4所示：

表4　钢框架结构的自振周期对比

通过上述四种方案很容易看出在耗能长度一致时，钢框架偏心支撑体系的自振周期随楼层的增大而减小，人字形偏心支撑钢框架整体刚度大，自振周期小，自振周期随着结构刚度的增大而逐渐减小。各方案的自振周期大小关系是：方案A<方案B<方案C<方案D。

3.3振型反应普法

根据《抗震规范》8.2.212 钢结构抗震计算的阻尼在多遇地震下的计算，高度大于50m且小于200m时，可取0.03[6].采用振型反应谱CQC法[7]，分别计算各层最大水平位移如图2，最大层位移角如图3，从图中可以看出：(1)四种方案除单斜杆偏心支撑不满足《建筑抗震设计规范》(2010)5.5.1条规定，即多、高层钢结构满足的弹性层间位移角限值1/250[6]。说明单斜杆偏心支撑的抗侧能力较差，设计时应增大支撑截面面积以增加抗侧力。(2)从图3、4中可以看到这四种方案层最大位移在第七、八层，但单斜杆偏心支撑发生在第六层说明其控制变形能力较差。人字形偏心支撑的控制变形能力比较好，对结构最抗震有利。其次分别是V字形偏心支撑、八字形偏心支撑、单斜杆支撑。

图3最大层间位移角

图4最大层位移

3.4时程分析

时程分析法是利用结构的基本动力微分方程，通过求解来得到结构在动力荷载作用下结构的基本响应大小的一种方法[8]。时程分析法基于反应谱法分析，但它是更有效的抗震计算方法，因为它能准确的反应结构在地震过程中的内力与位移随时间的的变化。通过将建筑物作为弹性或者弹塑性振动系统，直接输入地面地震加速度记录，对运动方程直接积分，从而获得计算系统各质点的位移速度加速度等的时程变化曲线，因此这种方法更能准确而完整地反映出结构在地震作用下的全过程[9]。本文选取三条波[10]，两条自然波形分别是El-Centro加速度时程波与TangShanSN波和一条人工LanZhou波，三条地震波如图5，6，7。对结构进行计算分析得出四种方案在长遇地震下的弹性层间位移角如图8,9,10。

图5LanZhou波

图6El-Centro波

图7TangShanSN波

图8El-Centro波下最大层间位移角

从图8、9、10可以看出：(1)时程分析得出结果除人字形与八字形偏心支撑的钢框架外均能满足《建筑抗震设计规范》要求的弹性层间位移角限值1/250。(2)时程分析得出最大的层间位移角比振型分解反应谱法得出的最大层间位移角小。(3)四种支撑的抗侧力大小关系是方案A>方案B>方案C>方案D。

4结束语

(1)由本文可知四种偏心支撑中抗侧力最差的是单斜杆偏心支撑钢框架，人字形偏心支撑钢框架抗侧力最好，其次是V字形、八字形钢框架偏心支撑。

图9LanZhou波下最大层间位移角

图10TangShanSN波下最大层间位移角

(2)不规则建筑在四种不同的偏心支撑下的周期以及层间位移随刚度的变大而逐渐减小，在耗能段长度一致情况下，人字形应作为首选的支撑，其抗震性能人字形支撑>V字形支撑>八字形支撑>单斜杆支撑。

(3)利用时程分析法得到的最大层间位移角要比振型分解反应谱法得到的数值整体偏小。结构在分别在三种波作用下人字形、V字形偏心支撑，均能满足《建筑抗震设计规范》的弹性层间位移角限值1/250。而八字形，单斜杆也只有很少部分不能满足要求。说明前两者的抗震性能优于后两者，实际工程中应当优先使用。

参考文献

1沈祖炎.钢结构学[M].北京:中国建筑工业出版社, 2005.

2北京金土木软件技术有限公司等.SAP2000中文版使用指南[M](第二版).

3彭俊生,罗永坤,彭地. 结构动力学、抗震计算与SAP2000应用[M].西南交通大学出版社,2007.

4雷庆关,陈东.SAP2000在结构动力学中的应用探讨[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2012,20(3):56-58.

5高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010).北京，2010.

6建筑抗震设计规范(GB50011).北京,2010.

7陈昌宏.SAP2000结构工程案例分析[M]. 冶金工业出版社，2010.

8邓军,唐家祥.时程分析方法输入地震记录的选择与实例[J].工业建筑,2000，30(8)：9-12.

9杨溥.结构时程分析法输入地震波的选择控制指标[J].土木工程学报,2000，33(6):33-35.

10黄怡,王元清,石永久.支撑布置方式对多高层钢结构抗震性能的影响分析[J].钢结构2005(5):41-43.

The Impact Analysis Of Eccentrically Brace For Irregular Buildings
Steel Frame Structure System Seismic Performance

WANG Biao1，LEI Qingguan1,2

(Anhui Jianzhu University, Hefei 230601,China;2.Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:High-rise eccentrically braced steel frame structure is a new type of structural system that developed in recent years . Under the earthquake ,the eccentrically braced steel frame girders often take the lead in the shear yield of energy consumption .It mainly use the plastic deformation to dissipate the earthquake energy, so it can reduce the stress of the other components of the structure to ensure the safety of the structure[1].In this paper, we analysis the influence on the seismic performance of eccentrically braced steel frame when their total energy consumption in the same length.and uses finite element analysis software SAP2000 to analysis the four forms ,the chevron, the V, the eight-lane, the single diagonal eccentric support.

Key words:steel frame; eccentrically braced frame ; seismic performance; the analysis of time history

作者简介：王彪(1985-)，男，研究生，主要研究方向：工程防灾减灾理论与应用。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150604

中图分类号：TU411.01

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)06-016-05

收稿日期：2015-05-08

基金项目：安徽省高等教育振兴计划(2013zdjy23);安徽省高等学校自然科学研究重大项目(kJ2014ZD07)