支撑体系对巨型框架结构抗震性能影响分析

张童心

摘  要：文章运用大型有限元分析软件ANSYS建立32层24m×24m的巨型框架结构模型，分别对结构加载三种不同加速度峰值的ELCENTRO波、Taft波和南京波，对未设置任何支撑和设置不同形式支撑的巨型框架结构共计三组工况进行模态分析和动力反应分析，分析支撑体系的变化对巨型框架结构整体抗震性能的影响。

关键词：巨型框架结构;中心支撑;模态分析;时程分析;结构抗震;地震响应分析

中图分类号：TU398.9 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）18-0012-04

Abstract： This paper uses the large-scale finite element analysis software ANSYS to establish a 32-story 24m × 24m mega-frame structure model and loads three kinds of waves， i.e. ELCENTRO wave， Taft wave and Nanjing wave with different peak accelerations. The modal analysis and dynamic response analysis are carried out for the mega-frame structure without any braces and with different forms of braces， and the influence of the change of the bracing system on the overall seismic performance of the mega-frame structure is analyzed.

Keywords： mega-frame structure; central brace; modal analysis; time-history analysis; structural earthquake resistance; seismic response analysis

巨型框架[1-3]结构是由柱距很大的巨型柱、巨型梁以及普通厚度的楼板组成的一种新型的框架结构体系[4-5]。所谓的巨型梁、巨型柱，指的是比普通框架结构里面的柱、梁截面尺寸大很多的结构构件。巨型柱的布置一般比较简单，通常放置在结构的四角处，巨型梁一般是隔一定的层数设置的一道截面很多的梁，有着和剪力墙一样的刚度;其余的柱子和梁为次框架的柱和次框架的梁，布置在巨型梁层之间，其尺寸为普通或者比普通较小尺寸的结构构件组成的普通框架结构[6]。

1 工程概况

原结构为某实际混凝土巨型框架结构，该建筑为标准设防类（丙类），抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为二组，场地类别为Ⅱ类，抗震等级为二级。该建筑总高115.2m，为32层巨型框架结构，层高3.6m，平面尺寸为24m×24m，主框架柱为巨型框架柱，分别设置在主结构的四角，主框架梁为巨型梁，分别设置在建筑结构的8层、16层、24层和32层，主框架层高28.8m，次框架布置在其中，总高8层。所有柱子间距均为6m。平面布置如图1所示，有限元模型如图2所示，本模型中所有梁柱节点均为刚接，底层所有节点约束为固结。

2 钢支撑截面的设计与选择

根据模型的荷载条件并且通过结构内力计算和节点平衡可初步得出支撑的最大轴力，然后根据得到的轴力计算出支撑的截面面积，其中符合支撑截面面积条件的有多种截面形式，本文选择双角钢组成的十字型截面支撑，因其截面具有对称性，且具备明确的屈曲工作机理，不会对主体结构刚度产生明显的影响，所以是本文钢支撑理想的支撑截面，经过进一步对截面尺寸的筛选，最终选择热轧等边角钢2∠160×14组成十字型截面，支撑计算简图和横截面简图如图3所示，其截面面积是43.296mm2×2=86.598mm2。

3 原始模型与次框架支撑模型的动力响应分析

本文所研究的模型分为三个工况，如表1所示，分别对下表中的三个工况加载70cm/s2、140cm/s2和400cm/s2的ELCENTRO波、Taft波和南京波，由于本文研究的建筑结构属于高层建筑结构，在地震波的作用下结构的上半部分易产生较大的水平位移，而支撑可以有效的减小地震中结构上半部分的水平位移，所以在模型的17-32层加设支撑，然后对比工况之间的水平位移反应情况和加速度反应情况并进行分析。

本节对三个工况进行了在加速度峰值為70cm/s2地震波作用下的动力时程分析，结构的层角位移角如图4、表3所示。

由图4、表3所示，工况一和工况三在南京波的作用下在结构的中部偶有超限的部分，工况一超限的部分最多，这对于之后的结构优化提供重要的信息。层间位移角曲线的拐点均出现在巨型梁所在的楼层，可见在这些楼层的抗侧移刚度比较大。其中，工况二在所有情况中展现出的抗震性能是最为优越的，层间位移角变化突变的情况较少，通过布置单斜支撑从而改善了结构的整体刚度，提高了结构的抗震性能，有效的吸收了地震对结构的能量输入，保证了结构安全。

分别对原始模型和次框架支撑模型加载三种不同加速度峰值的地震波，进行动力反应分析，并且分别将工况一、工况二和工况三的位移值进行对比分析。模型的位移响应如表4所示。

根据表4，通过本节的研究得出了以下结论：

（1）模型加载ELCENTRO波的位移响应情况，如表5所示。

（2）模型加载Taft波的位移响应情况，如表6所示。

（3）模型加载南京波的位移响应情况，如表7所示。

4 结论

（1）通过对比同一工况加载三种不同加速度峰值地震波作用下的结构水平位移的情况可知：对工况一、工况二和工况三影响最大就是南京波，最大的水平位移均在南京波的加载下出现。

（2）在次框架中设置支撑对于减少结构在地震作用中产生的位移值有比较大的帮助，可以提高结构的整体刚度，对控制侧移的帮助较为明显，能够有效的保证主体结构的安全。

参考文献：

[1]A.Iannuzzi， P.spinelli.Artificial wind generation and structural response[J].Structural of Engineering ASCE， 1987，113（12）：19-25.

[2]Iwatani， simulation of multidmensional wind fluctions having any arbitary power spectra and cross-spectra[J].Journal of Wind Engineering， 1982，36（3）：36-45.

[3]m.shinozuka， c.m.Jan.Digital simulation of random processes and its application[J]. Sound and Vibration， 1972，25（2）：18-23.

[4]康新杰.剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用[J].工程技术研究，2017（10）：207，222.

[5]魏剑侠.高层建筑梁式转换层结构设计分析与应用[D].郑州：郑州大学，2007.

[6]周坚，陈峥.超高层建筑巨型框架结构简化分析的再研究[A].中国会议，2004.