钢框架支撑结构抗震性能有限元分析

孙 庆 王 涛

(1.青岛市市南区市政工程养护建设有限公司，山东 青岛 266071； 2.青岛理工大学，山东 青岛 266033)

钢结构具有强度高、刚度大、稳定性好、抗震性能强、施工简便、绿色环保等特点，而成为设计时的首选类型之一。我国处于环太平洋火山地震带，地震频发，近几年的汶川地震、玉树地震等给国民经济及当地人民收入带来了巨大损失。钢结构与普通钢筋混凝土结构相比有一定的延性，在地震作用下具有一定的抗震能力，可以耗散部分地震能量[1]。本文通过对普通钢框架、单向斜杆支撑钢框架、交叉支撑钢框架和人字形支撑钢框架分别采用铰接和刚接的连接方式，利用ANSYS对它们分别进行在三种不同地震波作用下的研究得出抗震性能最优的支撑类型。

1 设计资料[2]

本设计实例为8层框架写字楼，它包括下列几部分承重构件:

1)横向框架:三层三跨，由基础、框架梁、柱组成。

2)纵向框架:三层两跨，由基础、框架梁、柱组成。

平面图见图1。

本设计柱距采用6 m×6 m，层高为4 m。结构位于Ⅱ类场地第二组，基本烈度为8度，阻尼比为0.02。结构设计所取永久荷载见表1,活荷载按照GB 50009—2012建筑结构荷载规范的规定计算。

表1 永久荷载

初选截面，梁柱所用钢材均为Q235，选定梁柱截面尺寸及截面几何特性分别为:

柱:工字型截面:300 mm×305 mm×15 mm×15 mm；梁:工字型截面:300 mm×300 mm×10 mm×15 mm。

目的:结构在罕遇地震下的模态分析以及瞬态分析，通过在三向地震的作用下，在模态分析下观察结构的频率和振型；在瞬态分析中分析层间位移。通过不同的支撑方式以及在经济方面的考虑，给出一个较优的方案。

根据规范，8度设防烈度对应多遇地震水平地震影响系数最大值αmax=0.16，Ⅱ类场地第二组对应特征周期Tg为0.4 s，此时需考虑阻尼比对地震影响系数形状的调整。

由此可得本结构在8度多遇地震作用下的地震影响系数为:

同理可得，该结构在8度罕遇地震(水平地震影响系数最大值αmax=0.50)作用下的地震影响系数:

2 钢框架结构设计实例

2.1 模型的建立

空框架模型见图2。

2.2 钢框架结构模态分析

在将模型建好后，进行模态分析，首先对建立的模型施加约束，所有模型均在模型底部施加位移约束，施加约束后，对模型进行模态分析。本文所选模态分析的方法为兰索斯法。

2.3 模态分析对比结果

经对比分析，空框架的一阶频率为0.8 Hz,在固接连接方式中:单向斜杆支撑的一阶满布、1357层布置以及1层布置的频率分别为4.30 Hz,1.43 Hz,0.93 Hz；交叉支撑的一阶满布1357层布置以及1层布置的频率分别为4.82 Hz,1.41 Hz,0.92 Hz；人字形支撑的一阶满布、1357层布置以及1层布置的频率分别为4.63 Hz,1.34 Hz,0.92 Hz。通过对比可以看出，无论单向斜杆支撑、交叉支撑还是人字形支撑，在支撑满布的情况下，刚度较大，会造成结构的自振频率较高，对于结构来说不利。而单向斜杆支撑、交叉支撑、人字形支撑的1层布置支撑的情况结构的自振频率相差不大[3]。

3 钢框架结构地震作用分析

本文选择了墨西哥波、天津波、Taft波三条地震波，分别模拟了模型在三条地震波作用下的层间位移，并对结果进行了对比分析，层间位移的结果见表2～表4。

表2 墨西哥波作用下层间位移对比 mm

表3 天津波作用下层间位移对比 mm

表4 Taft波作用下层间位移对比 mm

在三条地震波作用下，未加支撑的钢结构模型位移较大。由此可见，钢结构布置支撑是减小位移的有效措施。在墨西哥波作用下人字形支撑刚接1层布置层间位移较其他工况的层间位移小；在天津波作用下交叉支撑铰接1层布置层间位移较小；在Taft波作用下交叉支撑1层刚接布置与人字形支撑1层刚接布置层间位移相差不大。以上几种都是比较合适的设置支撑的方式。另外，满布的支撑方式在不同的地震波下的层间位移与实现中并不相同，通过在墨西哥地震波的作用下单向斜杆支撑刚接满布的层间位移比未加支撑的空框架还要大[4]。

4 结论

1)与钢筋混凝土结构相比，虽然钢结构的造价成本要高一些，但钢结构具有施工速度快、舒适度高、污染小等优点，综合考虑，钢结构相对来说成本更好一些，在选择设计时应该优先选择钢结构；对于不同工况的钢框架，选择铰接的方式更加经济。2)针对不同类型的钢框架结构，除墨西哥地震波外，施加支撑的钢框架模型在ANSYS中比未加支撑的钢框架模型的减震效果好；模拟的钢框架模型工况与实际的钢框架结构在地震作用下的效果相符合，进一步证明了ANSYS模拟的可靠性。3)对不同工况钢框架模型的模态、层间位移以及层间角位移的分析可以看出：除墨西哥地震波外，加了支撑的钢框架比未加支撑的钢框架的变形小，但满布的支撑方式会增加变形，在墨西哥地震波作用下单向斜杆支撑满布的支撑方式的层间位移比未加支撑的空框架的层间位移大，因此采用人字形支撑是所有工况中钢框架结构在地震作用下最优的结构形式。