交错桁架-钢板剪力墙结构体系抗震性能分析

蒋

(上海大学土木工程系,上海 200444)

0 引 言

随着我国社会经济的发展和钢产量的提高,钢结构建筑的发展受到广泛的关注和重视,尤其在抗震设防较高的地区,采用钢结构能充分地发挥钢材良好的变形性能。交错桁架结构体系是一种新型的钢结构体系,是由麻省理工学院在20世纪60年代开发的新型结构体系,由于这种结构体系的承重桁架在纵向和垂直方向交错布置,因此被称为交错桁架钢框架结构体系[1]。

交错桁架结构体系在加拿大、美国等国家已有较多应用,而在我国,尽管实际工程应用相对较少,但周绪红[12]等已经对交错桁架结构体系取得了丰富的研究成果。由于该结构的用钢量比传统钢结构减少50%左右[7],抗震性能良好,已被列为建设部科技重点攻关项目。

交错桁架钢框架结构由外围钢柱、平面桁架和楼面板组成。如图1(a)所示,钢柱仅在建筑周围布置,中间无钢柱。平面桁架的高度与建筑层高一致,长度和建筑宽度一致。桁架两端支撑于外围钢柱上,桁架在纵向和垂直方向交错布置,楼板一端置于桁架上弦,另一端置于相邻桁架的下弦。

如图1所示,交错桁架结构根据腹杆的布置情况,可以分为帕式桁架、空腹桁架和混合式桁架。相关研究表明[2-3],混合式桁架能够提供较大的侧向刚度,因此工程上一般采用混合式桁架。相比传统钢结构,交错桁架结构有三大特点:①钢材可以采用高强度材料,因此自重减轻[4];②横向桁架刚度较大,因此杆件主要承受轴力,结构的侧向位移较小;③桁架交错布置,因此建筑上可以有两倍的柱距,从而可以间接降低柱距和楼板的跨度,使得楼板厚度减小,达到用钢量减少的目的。

1 交错桁架-钢板剪力墙结构体系

混合式交错桁架相对于空腹交错桁架具有更好的抗震性能[7]。文献[11]指出空腹桁架是一种不经济的结构形式,因此本文在混合式交错桁架的基础上,对其进行改进,提出一种更先进的钢结构-交错桁架钢框架-钢板剪力墙结构体系。钢板剪力墙在垂直方向交错布置,如图2(a)所示,剪力墙布置于无桁架楼层的中间,宽度为一榀桁架宽度,高度为建筑物层高;三维简图如图2(b)所示,在纵向钢板剪力墙也同样交错布置,从而保证了建筑仍然拥有两倍的柱距,不影响正常使用。

根据《交错桁架结构技术规程》[6],交错桁架的横向跨度不宜大于21 m。本文希望通过增加钢板剪力墙,能够提高结构的横向刚度,从而提高横向跨度的目的,以使结构能够运用于大跨度建筑,突破现有规范对于跨度限值的要求。

2 计算模型设计

为简化分析,本文以二维结构为例,利用SAP2000有限元软件建立4种交错桁架结构模型(图3),算例如下,结构构件尺寸参数如表1所示,剪力墙采用壳单元模拟,剪力墙边缘构件采用H型截面,尺寸同框架柱,剪力墙布置简图如图4所示。柱、桁架采用梁单元模拟:

图2 交错桁架钢框架-钢板剪力墙结构体系Fig.2 Hybrid truss-steel plate shear wall

算例1 结构共14层,层高3 m,桁架腹杆节点间距2.5 m,共7个节间,总跨度17.5 m;

算例2 结构共14层,层高3 m,桁架腹杆节点间距2.5 m,共7个节间,在无桁架的楼层中间布置钢板剪力墙,总跨度17.5 m;

算例3 结构共14层,层高3 m,桁架腹杆节点间距3 m,共9个节间,总跨度27 m;

算例4 结构共14层,层高3 m,桁架腹杆节点间距3 m,共9个节间,在无桁架的楼层中间布置钢板剪力墙,总跨度27 m。

表1 构件尺寸Table 1 Component size

本结构所处地区抗震设防烈度为8度,Ⅱ类场地,设计地震分组为第二组,基本加速度0.2g,场地特征周期0.4 s,结构阻尼比为0.04,按照《建筑结构荷载规范》[9]对荷载进行取值,并对楼面荷载进行折算施加于结构上。结构节点连接方式:腹杆与弦杆铰接,柱与基础刚接,剪力墙与弦杆刚接。

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

图4 钢板剪力墙构成Fig.4 Configuration of SPSW

3 计算结果分析

3.1 反应谱分析

根据《建筑抗震设计规范》[8](以下简称《抗规》),运用SAP2000进行反应谱输入,得到4种模型在地震作用下的楼层位移和层间位移角如表2所示,分析楼层位移和层间位移角(图5和图6),其目标是判断结构是否具有足够的抗侧刚度,保证结构在遭遇地震时仍然处于弹性状态,从而使结构仍处于正常使用的极限状态。

图5 楼层位移Fig.5 Displacement of floors

图6 层间位移角包络图Fig.6 Envelope diagram of inter-story drifts

表2 反应谱分析下4种算例的楼层位移和层间位移角Table 2 Floors displacement and inter-story drifts of four cases under spectrum response analysis

通过图6可以看出,结构的层间位移角呈折线状,这是由于桁架错层布置导致相邻楼层抗侧刚度不一致。通过表2和图4得知,算例2和算例4在增加钢板剪力墙后,楼层位移减少30%以上,最大楼层位移减少约50%,由此可见钢板对于减少结构的侧移非常有效。

根据《抗规》,结构的弹性层间位移角不宜大于1/250,从表2可以看出，算例1的第三层层间位移角为1/181,大于规范的要求,算例3的第3层、第5层、第7层也均不满足规范要求;通过附加钢板剪力墙后,可以看到层间位移角明显降低,且均满足《抗规》的要求。从图6也可知增加钢板后算例2和算例4的层间位移角包络图明显比算例1和算例2降低,说明钢板剪力墙能有效增加结构侧向刚度,从而减少结构的侧移和层间位移角,对于大跨度结构,效果更为明显。

3.2 罕遇地震下的时程分析

时程分析是通过直接积分的方法来获得结构在每一瞬态的地震动力反应,进而能够了解结构在地震波作用下位移、加速度、内力等随着时间变化的过程,可以计算结构在非线性阶段的动力反应,对结构进行罕遇地震下的验算,从而得到薄弱部位[5]。

文献[10]指出,地震波选取应考虑地震反应的地域性,必须包括实际强震记录后调整的加速度时程。本结构处于二类场地,因此选用二类场地常用的El Centro波,地震波持续时间30 s,时间间隔0.02 s,加速度峰值341.4 cm/s2,根据《抗规》,8度地区罕遇地震加速度时程最大值为400 cm/s2,因此调整系数为1.172。采用SAP2000的非线性分析功能和直接积分法,运用SAP2000对四种算例进行模型建立,对其进行弹塑性时程分析,分别得到混合式交错桁架、混合式交错桁架-钢板剪力墙等4种算例的顶层位移时程曲线。

图7、图8分别给出了4种算例在El Centro波罕遇地震下的顶层位移时程曲线。从图中可以看出,算例1和算例3在罕遇地震下的位移反应较大,而在增加钢板剪力墙后,顶层位移反应明显降低,在0～10 s,位移反应降低约35%,而在10～20 s,算例2和算例4的位移反应减少70%以上。

表3给出了4种算例的顶层最大位移及出现时刻,从表中可以看出算例2比算例1的最大顶点位移降低57.13%,算例4比算例3的最大顶点位移降低71.36%,钢板剪力墙的作用得以体现。对于大跨度结构,可以看出钢板剪力墙的作用更大。

图7 El Centro波罕遇地震下的顶层位移时程曲线(算例1和算例2)Fig.7 Time history curve of top displacement under rare earthquake of El Centro wave (case 1 and case 2)

图8 El Centro波罕遇地震下的顶层位移时程曲线(算例3和算例4)Fig.8 Time history curve of top displacement under rare earthquake of El Centro wave (case 3 and 4)

表3 4种算例顶层位移最大值Table 3 Maximum top displacement of four cases

表4给出了4种算例在El Centro波罕遇地震下的最大层间位移角及其出现楼层,图9给出了时程分析下的层间位移角包络图。

由于算例3采用27 m大跨度结构,很容易可以看出算例3的层间位移角最大,最大层间位移角为1/68,但仍然满足规范1/50的要求;在增加钢板剪力墙以后,算例4的最大层间位移角为1/117,减少了41.88%。同样,算例2在增加钢板剪力墙后,最大层间位移角由算例1的1/100降低为1/199,降低了49.7%。

表4 El Centro波罕遇地震下的最大层间位移角Table 4 Maximum envelope of inter-story drift under rare earthquake of EL Centro wave

图9 El Centro波罕遇地震下的层间位移角包络图Fig.9 Envelope diagram of inter-story drift under rare earthquake of El Centro wave

由此可见交错桁架-钢板剪力墙体系比传统的混合式交错桁架有更好的抗震性能,增加钢板后,结构的横向刚度增加,同时钢板剪力墙是良好的耗能构件,因此在遭遇罕遇地震时,结构依然不会发生破坏,达到《抗规》所规定的大震不倒的要求。

3.3 用钢量分析

运用SAP2000中的自动截面和优化设计功能,对4种模型进行优化设计,以得到最优的用钢量,达到节约钢材的目的,表5给出了4个算例的用钢量。

表5 用钢量统计Table 5 Steel quantity statistics t

从表中可以看出,在结构跨度相同时,采用钢板剪力墙的算例2比算例1用钢量提高77.75%,算例4比算例3用钢量增加68.28%;而对于不同的结构跨度,算例3比算例1用钢量增加38.39%,算例4比算例2用钢量增加31.01%。因此可以看出当结构跨度较小时,采用钢板剪力墙时用钢量明显增加,略显不经济,而当结构跨度增加时,尤其对于大跨度结构,当采用钢板剪力墙时,用钢量的增加比率较传统混合式交错桁架低,而且加入钢板剪力墙后结构的抗震性能显著提高。

4 结 论

目前对于交错桁架结构在国内运用较少,本文提出了一种新型交错桁架结构,并运用SAP2000建立4个计算模型进行数值模拟和抗震性能分析,得出以下结论:

(1) 相对于混合式交错桁架结构,交错桁架-钢板剪力墙结构体系横向刚度较大,能更有效地抵抗地震作用,其楼层位移、层间位移角比混合式桁架降低30%以上,对于大跨度结构有明显的优势。

(2) 当遭遇罕遇地震时,交错桁架的薄弱层一般处于3～5层,因此在设计时应当加强底部的抗震构造措施。

(3) 交错桁架-钢板剪力墙结构体系的用钢量较大,当结构跨度较小时,由于混合式交错桁架也能满足抗震要求,因而会显得不经济;而对于大跨度钢结构,混合式交错桁架很难满足要求,需要大幅度增加用钢量而导致钢材的边际效用很低,因此在同等抗震性能下,交错桁架-钢板剪力墙反而具有较高的经济价值。

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