不规则高层钢框架结构地震反应分析

赵　平，雷庆关

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)



不规则高层钢框架结构地震反应分析

赵平，雷庆关

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

以两个不规则高层钢框架结构为研究对象，进行地震反应分析，建立了两个有限元模型，分别对其进行模态、反应谱和线性时程分析，通过层间位移角及楼层位移的发展变化对其抗震性进行评估，并通过楼层位移、层间位移角来分析结构的薄弱环节。结果明显表明，钢框架支撑体系拥有良好的抗侧向位移能力与优越的抗震性能，可在建筑业得到推广使用。

钢框架结构；抗震性能；模态分析；反应谱分析；线性时程分析

在现代城市建设当中，形式各异的各类高层和超高层建筑大量涌现，是现代化城市的标志。近年来，随着各种新型建筑钢材的推广和普及，以及施工技术的不断创新，人们利用钢材具有材质均匀，强度高，延性好的特点，建造出了许许多多的不规则高层钢结构建筑[1]。然而，地震对建筑会造成严重破坏，尤其是近年来，各地地震频发，建筑物损坏严重，因此对不规则高层钢结构地震反应进行分析研究以达到防灾减灾的目的是非常有必要的[2]。

将钢框架建立两种有限元模型并进行一系列分析来研究支撑对结构的地震响应特性的影响，结合相关规范研究结构的地震反应情况，为抗震分析提供依据。

1　 工程实例及其不规则性

1.1工程实例

工程概况：本模型为不规则L型钢框架高层办公大楼，具体参数为：模型为平面L型的不规则类型，总高度48 m，共16层，各层高度都是3 m；横跨，纵跨的柱距都为5.8 m。钢材选用Q345级钢，选用C30混凝土，主要构件截面为：柱截面HW500×500×20×25；梁截面为HN600×200×12×20；支撑截面为HW250×250×14×14；楼板为120 mm厚的C30混凝土。抗震的设防烈度是8度，取地面运动水平最大加速度是αmax=0.16[3]；场地类型为Ⅱ类，设计分组是第二组。荷载情况是楼面受到活载荷2.0 kN/m2，楼板上恒载荷标准值取4 kN/m2，边梁线载荷是6 kN/m。钢框架支撑体系具有双重抗侧力性能，可用于许多钢结构建筑当中[4]。为了探讨支撑体系抗震性能，把不设支撑体系的框架结构作为模型1，在模型1的基础上设置支撑体系的结构为模型2。模型1、模型2如图1、图2所示。

图1　模型1三维图

图2　模型2三维图

1.2结构的不规则性

该模型的平面是L型，其凸出部分的最大尺寸是11.6 m，为其相应投影方向总长度29 m的40%，超过《建筑抗震设计规范》中参考指标的30%，属于平面凹凸不规则类型[5]。平面凸出部分的长度l为11.6 m，宽度b为17.4 m，Bmax为29 m，l/Bmax、l/b符合《高层混凝土结构技术规程》中3.4.3的规定。

2　结构的模态分析

模态分析，它是一种动力分析法，这种方法本质上是振型叠加法[6]。模态分析法适用范围为结构弹性阶段，它会为结构相关性能分析提供相应的结构数据。同时，模态分析法也是进行动力分析(线性时程和反应谱分析)等分析的基础[7]。利用SAP2000分别对模型1和模型2进行模态分析，具体数据见表1、表2。

表1　模型1质量参与系数输出信息

表2　模型2质量参与系数输出信息

由表1、表2可知：

(1)对于模型1在第一阶振型中UX=0.256，UY=0.616 2，RZ=0.575 6,UX+UY>RZ且RZ≠0，则该振型结构是平动并有一定的扭转属性，而且，UXRZ且RZ≠0，UX>UY,此时X方向平动占主导作用；在第三阶振型中UX=0.014 3，UY=0.023 5，RZ=0.063 2，UX+UY

(2)对于模型2，UX、UY、RZ在第一、二阶振型中分别为0.029 4、0689 1、0.595 7，0.687 7、0.043 8、0.100 7，UX+UY>RZ且RZ≠0，则第一阶、第二阶振型结构是平动振型并有一定的扭转属性，而且第一振型以Y方向平动为主，第二阶振型平动为主的方向是X方向；在第三阶振型中UX=0.016 3，UY=0.025 6，RZ=0.054 2，UX+UY

(3)依据《建筑抗震设计规范》要求，对需要振型的数量上应满足有效质量参与系数大于90%。对于这两组模型来说前15阶的有效质量参与系数已经都超过了90%，选取数量是完全符合规定的。

3　反应谱分析

本文使用SAP2000对两种结构进行反应谱分析，在荷载工况中振型组合设置为CQC和方向组合选SRSS得到结构的相关数据，并对数据进行对比分析。分析时输入的函数曲线如图3所示。

图3　设计反应谱曲线

通过运行SAP2000对模型1和模型2两种结构进行分析，分别得到它们在Y方向水平地震影响下纵向和横向楼层最大位移，将数据进行统计整理，并计算出其层间位移角，结果为表3、表4所示。

表3　反应谱下模型1的楼层最大位移和层间位移角

续表

表4　反应谱下模型2最大楼层位移和层间位移角

由表3、表4可知：

(1)模型结构1的最大横向层间位移角出现层数是第7，模型结构2的最大位移角出现层数也是第7，所对应的层间位移角分别为1/558、1/569，都小于规范对该类型结构的层间位移角限值的规定。

(2)设置支撑的结构体系的横向最大位移减小，从73.219 mm减少到67.738 mm，降低幅度达到7.5%；同时发现设置支撑的结构体系比不设置支撑体系的纵向最大位移和纵向最大层间位移角也有减小，说明支撑结构的设置不但增强了横向刚度，也增强了整体刚度，同时增强的幅度较明显，说明结构的抗震性能提高得益于布置了支撑结构。

4　线性时程分析

使用时程分析法能准确得到随着时间变化的响应曲线[7]。在SAP2000软件中，要导入地震波，这个地震波必须进行放大或缩小，使得其加速度峰值等于对应烈度下最大值，其加速度峰值是根据不同的烈度取用[8]。

根据该建筑处的位置是II类场地，本文选取的地震波是EL-Centro波、Taft波和Lanzhou1波。EL-Centro波的最大加速度值是341.7 gal，截取时间段是15 s，相邻加速度时间间隔是0.02s；Taft波的最大加速度值是175.71 gal，截取时间段是15 s，相邻加速度时间间隔是0.02 s；人工波取用的Lanzhou1波的最大速度变化率值是196.2 gal，选取作用时间15 s，步长0.01 s。对EL-Centro波、Taft波及Lanzhou1波做相应调幅之后，输入模型中进行线性时程分析，统计整理两种模型在分析后的楼层横向位移和位移角如表6、表7所示。

由表6、表7数据分析可知：

(1)由表中所列出的数据可看出，对于同一个结构来说，三种地震波作用下的最大横向楼层位移有所区别。根据数值大小可判断其中EL-Centro波作用下楼层位移最大，Lanzhou1波作用下的楼层位移次之，Taft波作用下数值最小即位移最小。

(2)模型1、2在EL-Centro波作用下最大横向楼层位移分别是73.720 mm、63.426 mm，层间位移角最大值是1/554、1/644；在Taft波作用下最大横向楼层位移值为70.544 mm、60.901 mm，层间位移角最大值为1/574、1/665；在Lanzhou1波作用下最大楼层横向位移是70.73 mm、61.132 mm，层间位移角最大值是1/573、1/663。在这三种地震波的作用下，这两种结构的最大层间位移角都满足规范对此类型的框架结构层间位移角限值的规定。

(3)对于同一种波的情况下，对比两种模型结构的最大横向楼层位移和最大层间位移角，不难发现，模型2的数值比模型1的数值偏小，说明设置支撑后的结构抗震性能比较好。

5　小结

通过不规则高层钢框架在SAP2000中的三种工况分析，初步得出了不规则高层钢框架结构在地震作用下的一些特性，主要通过楼层最大位移以及层间位移角来讨论，得出以下结论：

(1)两种结构的第一和第二振型属于平动，第三振型属于扭转，符合相关规范的要求。各取了两种结构的15阶振型，最后一阶的质量参与系数SUM(UX)和SUM(UY)都大于90%，满足规范中的规定。

(2)进行反应谱分析时发现，该两种结构的横向相对位移比纵向相对位移大，说明横纵向刚度相比，横向刚度偏小。第二种结构的相对位移小于第一种结构的相对位移，说明设置支撑体系对结构的刚度有较高提升。

(3)通过线性时程分析可发现，地震波不同，建筑结构在其作用下的反应也不同。通过计算结构层间位移角，就能找出结构薄弱层，从而使抗震验算有依据，而且设置支撑后的结构抗震性能比较好。

[1]柳炳康.建筑结构抗震设计[M].北京：高等教育出版社，2013:2-8.

[2]张耀春.钢结构设计原理[M].北京：高等教育出版社，2011:15-33.

[3]建筑抗震设计规范：GB 50011—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[4]窦国涛,张宏兵.支撑布置对多层钢结构抗侧刚度的影响[J].科学技术与工程,2012, 12(21):5361-5365.

[5]高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[6]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.

[7]北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].2版.北京：人民交通出版社，2012.

[8]杨溥,赖明.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):33-37.

Seismic behavior analysis of irregular high-rise steel frame structure

ZHAO Ping,LEI Qing-guan

(DepartmentofCivilEngineering,AnhuiArchitectureUniversity,Hefei230601,China)

Taking two irregular high-rise steel frame structures as research objects,seismic response analysis is made,and two finite element models are established to analyze its modal,response spectrum and linear time history analysis.Their seismic resistance is assessed through interlayer displacement angle and displacement floor developments,and the weaknesses in the structure are dicussed through the floor displacement and story drift angle.The results show that the steel frame support system has good resistance to lateral displacement capability and superior seismic performance,which can be widely used in the construction industry.

steel frame structure;seismic behavior;modal analysis;response spectrum analysis;linear time history analysis

2016-01-10

安徽省高等学校自然科学研究重大项目(KJ2014ZD07)

赵 平(1990—)，男，山东诸城人，硕士研究生。

1674-7046(2016)02-0024-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.02.005

TU393.2

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