支撑钢框架体系的简化计算方法及抗震性能研究

朱琳

【摘 要】基于刚度连续化方法和位移协调条件，推导了支撑钢框架体系在倒三角荷载下的简化计算公式。建立了Perform3D的弹塑性分析模型，通过非线性时程分析获得结构在大震下的动力响应，并对支撑钢框架体系的抗震性能进行了阐述。

【关键词】支撑钢框架；屈曲；抗震性能；Perform3D；非线性时程分析

0 引言

对于高层及超高层钢结构体系，普通框架的抗侧刚度已经不能满足风与地震作用的设计需求。支撑钢框架体系是指在框架指定位置布設钢支撑，通过支撑构件的轴向拉压抵抗水平荷载，以保证整体结构的安全。该体系框架部分发生剪切型变形，底部层间位移大，抗侧刚度小；支撑部分发生弯曲型变形，底部层间位移小，抗侧刚度大。两者并联能够明显优化层间位移的分布[1]，避免薄弱层产生，具有良好的抗震性能。

目前国内外比较流行的抗震分析软件有：Abaqus，Perform3D，Midas，SAP2000，Sausage等。其中Perform3D是一款专门用于动力弹塑性分析和结构抗震性能评估的软件。Perform 3D具有丰富的弹塑性计算单元，采用常加速度时程积分法，与FEMA356，ATC40等规范融合的非常到位，其计算结果可以直接指导工程实践。本文推导了支撑框架体系在倒三角荷载下的简化计算公式，建立了Perform3D的弹塑性分析模型，通过非线性时程分析获得结构在大震下的动力响应，并对支撑钢框架体系的抗震性能进行了总结。

2 分析结果

根据非线性时程分析结果，分别提取支撑钢框架体系和对比纯框架体系的层间位移角（规范对于结构在大震下的要求为层间位移角小于1/50）。计算各个楼层层间位移角峰值在七条波下的平均值，如图2所示。

由图2可以看出，相比于纯框架体系，大震下结（下转第140页）（上接第133页）构的层间位移角锐减，且分布非常均匀，没有出现薄弱层，各个楼层均满足规范1/50的限值要求，结构设计合理，大震下变形性能良好。纯框架体系的层间位移角明显高于支撑钢框架体系，底部变形很大，上部楼层变形较小，层间位移角已经超出规范的限值要求，大震下结构的抗震能力不够，甚至已经倒塌失效。此外，支撑钢框架体系在顶部的层间位移角略大于纯框架体系顶部的层间位移角，这是由于支撑部分呈现弯曲型变形模式，对于框架部分剪切型变形模式具有附加的顶部约束作用，从而使得支撑框架体系在顶部的层间位移角偏大，但其量值仍在规范允许的范围之内。

图2 非线性时程分析结果

3 结论

1）本文对支撑框架体系的抗侧刚度进行了连续化等效，基于位移协调条件推导了结构的简化计算方法，具有一定的工程意义。

2）采用Perform3D建立了弹塑性分析模型，受弯构件及压弯构件通过纤维单元考虑其弯、剪、扭的受力性能及相互影响。支撑构件采用轴力杆模型，通过基于材料的单轴屈曲本构考虑构件的整体失稳，全面反映了构件的滞回性能。以上建模方式大大简化了分析模型，且精度满足工程实际的要求。

3）由两种模型非线性时程分析结果的对比可知，支撑钢框架体系可以大大提高结构的抗侧刚度，使结构的层间位移分布更加均匀，有效避免了薄弱层的产生，具有良好的抗震性能。

【参考文献】

[1]沈祖炎，李国强，陈以一，等.钢结构学[M].北京，中国建筑工业出版社.2005.

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[责任编辑：田吉捷]