高烈度设防多层轻钢结构抗震性能分析.pdf
四川建筑科学研究 S i c h u a nB u i l d i n gS c i e n c e 第 4 0卷 第 2期 2 0 1 4年 4月 收稿日期 2 0 1 3 0 1 2 1 作者简介 史三元( 1 9 5 9-) , 男, 河北唐山人, 教授, 硕士研究生导 师, 主要从事结构工程、 岩土工程及土木工程专业领域的科研与教学 工作。 基金项目 河北省自然科学基金项目( E 2 0 1 0 0 0 1 0 1 2 ) E- ma i l 7 0 4 5 0 4 3 4 2 @q q . c o m 高烈度设防多层轻钢结构抗震性能分析 史三元, 崔立杰 ( 河北工程大学土木工程学院, 河北 邯郸 0 5 6 0 3 8) 摘 要 利用有限元分析软件 S A P 2 0 0 0构建 6层纯框架轻钢结构, 以此为基础对结构布置中心支撑( C B F ) 、 偏心支 撑( E B F ) 和钢板剪力墙( S P S W) , 计算在 8度罕遇地震作用下的地震响应, 从抗侧力、 模态分析和动力时程分析, 对 4种结构体系进行弹塑性时程的对比分析, 比较其动力特性及抗震性能。 关键词 中心支撑; 偏心支撑; 钢板剪力墙; 抗震性能 中图分类号 T U 3 1 8 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8- 1 9 3 3 ( 2 0 1 4 ) 0 2- 1 5 4- 0 4 A n a l y s i s o f t h es e i s mi cr e s i s t a n c ea b i l i t yo f t h eh i g h i n t e n s i t y f o r t i f i c a t i o no f mu l t i l a y e rl i g h t s t e e l s t r u c t u r e s S H I S a n y u a n , C U I L i j i e ( C o l l e g eo f C i v i l E n g i n e e r i n g ,H e b e i U n i v e r s i t yo f E n g i n e e r i n g ,H a n d a n 0 5 6 0 3 8 ,C h i n a ) A b s t r a c t T h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r e S A P 2 0 0 0w a s a p p l i e dt o e s t a b l i s ha s i x s t o r e f r a m e w o r kl i g h t s t e e l s t r u c t u r e . B a s e o nt h e c i r c u m s t a n c e , t h ec e n t r a l s u p p o r t ( C B F ) , t h ee c c e n t r i cs u p p o r t ( E B F ) , t h ec o r n e r s u p p o r t a n dt h es t e e l p l a t es h e a r w a l l ( S P S W)w e r e i n d i v i d u a l l ym a d ef o r t h es t e e l f r a m e .T h ee a r t h q u a k er e s p o n s ew a s c a l c u l a t e du n d e r t h er a r ee a r t h q u a k eo f 8d e g r e e s .T h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a n dt h es e i s m i cr e s i s t a n c ea b i l i t yw e r ec o m p a r e d ,o nt h ec o m p a r i s o no f t h ee l a s t i ca n dp l a s t i ct i m eh i s t o r yo f f o u r s t r u c t u r es y s t e m s . F r o mt h el a t e r a l r e s i s t a n t a b i l i t ya n dn a t u r a l v i b r a t i o np e r i o do f t h es t r u c t u r e , t h em o d a l a n a l y s i sa n dt h ed y n a m i c a n a l y s i s . K e yw o r d s c e n t r a l s u p p o r t ; e c c e n t r i cs u p p o r t ; s t e e l p l a t es h e a r w a l l ; s e i s m i cr e s i s t a n c ea b i l i t y 0 引 言 钢框架的形式主要有纯框架( U B F ) 、 中心支撑 框架( C B F ) 、 偏心支撑框架( E B F ) 和钢板剪力墙框 架结构( S P S W) 。U B F结构体系在地震的作用下结 构将产生较大的侧移, 一旦达到结构的极限, 会发生 严重破坏, 甚至倒塌。C B F 、 E B F 、 S P S W作为双重抗 侧力体系, 支撑、 钢板剪力墙作为弯曲结构, 是结构 的第一道防线, 框架结构作为第二道防线, 两者协同 工作能使结构产生良好的抗震效果。 E B F是近年来发展起来的一种新型的抗震结构 形式, 设计合理的偏心支撑结构体系, 可使耗能段在 正常使用阶段或小震情况下保持在弹性范围内, 而 在强震作用下, 通过耗能段的非弹性变形耗能[ 1 ]。 其充分利用支撑与柱或支撑与支撑之间的耗能梁 段, 具有极好的耗能能力以抵抗大的地震影响, 还可 保护支撑斜杆免遭过早屈曲, 相应地延长和有效地 保持结构抗震能力的持续时间, 且可有效地节约钢 材[ 2 ]。本文通过有限元方法, 建立分析模型, 分析 4 种结构体系抗震性能变化规律, 并进一步对比分析 不同形式框架结构对多层轻钢结构抗震性能的影 响。 1 模型建立 1 . 1 模型概况 本文采用 6层钢框架结构模型, 层高 3m , 基本 柱网 1 5m 2 4m , 模型横向三跨, 跨度分别为 6 0 m 、 3 0m 、 6 0m , 共 1 5m , 纵向柱距 6 0m , 4个柱 距, 共 2 4 0m 。结构的平面如图 1所示, 通过 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 钢结构设计规范 [ 3 ]和 G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0 建筑抗震设计规范 [ 4 ]等规范, 计算其主要结 构构件尺寸, 见表 1 。 本结构所处地区的抗震设防烈度为 8度, 建筑 场地类别为Ⅱ类, 设计地震分组为第一组, 设计地震 加速度为 0 0 2g , 特征周期 T g= 0 2 5s 。轻钢结构 框架的阻尼比 ξ = 0 0 2 。 填充墙的自重按恒载考虑, 楼面恒荷载值取 3 451 图 1 多层轻钢结构平面布置 F i g . 1 Mu l t i l a y e rl i g h t s t e e l l a y o u t k N/ m 2, 标准层楼面活荷载值取 2k N / m2, 顶层楼 面活荷载值取 0 5k N/ m 2。 表 1 主要结构构件尺寸 T a b l e 1 S i z e s o f t h ema i ns t r u c t u r a l c o mp o n e n t s 构件名称尺寸参数材料 柱 H型截面 4 0 0m m 3 0 0m m 1 0m m 1 6m m 梁 H型截面 3 5 0m m 2 5 0m m 9m m 1 4m m Q 2 3 5钢 支撑H型截面 2 5 0m m 1 8 0m m 8m m 1 2m m 钢板厚 1 2m m 楼板厚 1 0 0m m钢筋混凝土 C 2 0 注 1 . 梁、 柱和支撑截面尺寸均为 高 宽 腹板厚度 翼缘厚度; 2 . 实际应用中, 在多层轻钢结构体系中, S P S W厚度为 8~ 1 6m m 时, 抗震表现效果最佳[ 5 ]。 1 . 2 结构布置方案 本文的轻钢结构框架有 4种布置方案, 方案如 下。 方案 1 6层纯框架轻钢结构体系( 作为原型对 比结构) , 方案如图 2 ( a ) 所示; 方案 2 6层框架 单斜杆中心支撑轻钢结构体 系, 方案如图 2 ( b ) 所示; 方案 3 6层框架 单斜杆偏心支撑轻钢结构体 系, 方案如图 2 ( c ) 所示; 方案 4 6层框架 钢板剪力墙轻钢结构体系, 方 案如图 2 ( d ) 所示。 1 . 3 有限元模型 本文采用有限元分析软件 S A P 2 0 0 0建立 4种 方案的三维模型, 材料采用 Q 2 3 5钢材, 弹性模量 E = 2 0 1 1 0 5M P a , 泊松比 μ= 0 3 , 假定钢材均为理 想弹塑性材料。4种方案的三维模型如图 3所示。 结构有限元分析时, 采用比较典型的 E l C e n t r o 波、 T a f t 波, 地震时间间隔为 0 0 2s , 持续时间为 3 0 s , 输出时段为 0 0 2s , 输出时段数为 1 5 0 0 。 2 抗侧力分析 C B F 、 E B F 、 S P S W钢框架作为双重抗侧力体系, 图 2 4种轻钢框架布置方案 F i g . 2 F o u rk i n d s o f l i g h t f r a mel a y o u t s c h e me 图 3 有限元模型 F i g . 3 F i n i t ee l e me n t mo d e l o f f i g u r e 其整体刚度必大于普通钢框架。本文对 4种方案的 结构模型顶层节点施加 1 0k N的水平方向荷载, 计 算结构的位移和抗侧刚度, 计算结果见表 2 。 表 2 抗侧力刚度 T a b l e 2 S i z e s o f t h ema i ns t r u c t u r a l c o mp o n e n t s 结构方案 位移 / ( 1 0 - 3m ) 比例 刚度 / ( 1 0 - 6N m- 1) 比例 方案 12 . 4 5 31 . 0 04 . 0 7 71 . 0 0 方案 20 . 7 6 00 . 3 11 3 . 1 5 23 . 2 3 方案 31 . 2 0 00 . 4 98 . 3 3 32 . 0 4 方案 40 . 6 8 00 . 2 81 4 . 7 0 63 . 6 1 从表 2中可以看出, 结构在顶层节点水平方向 荷载的作用下的位移从大到小排序为方案 1>方 551 2 0 1 4N o 2史三元, 等 高烈度设防多层轻钢结构抗震性能分析 案 3>方案 2> 方案 4 , 刚度从大到小排序为方案 4>方案 2>方案 3> 方案 1 。 3 结构模态分析 框架结构的动力特性主要是通过模态分析确 定。由模态分析整理 3种方案的前 1 2阶模态的自 振周期, 数据见表 3 。 表 3 前 1 2阶模态的自振周期 T a b l e 3 T h en a t u r a l v i b r a t i o np e r i o do f f i r s t 1 2 o r d e r s o f mo d a ls 模态( m o d a l )方案 1方案 2方案 3方案 4 11 . 5 8 6 4 5 51 . 0 0 4 7 1 81 . 1 1 5 5 7 51 . 1 1 4 9 0 3 21 . 2 3 8 1 6 20 . 7 0 4 6 5 50 . 7 8 6 6 8 80 . 8 2 8 1 5 6 31 . 1 1 4 1 3 00 . 5 2 3 3 9 50 . 5 8 8 3 3 80 . 6 2 3 9 5 6 40 . 5 2 6 0 1 10 . 3 2 3 3 1 50 . 3 5 1 5 4 30 . 3 5 1 4 5 8 50 . 4 0 0 9 3 20 . 2 3 5 7 0 30 . 2 6 7 0 0 40 . 2 0 2 3 1 1 60 . 3 5 1 0 5 90 . 2 0 4 8 4 10 . 1 9 7 5 3 70 . 1 9 3 0 5 0 70 . 3 1 3 2 7 20 . 1 7 2 8 7 80 . 1 9 2 9 1 60 . 1 4 8 7 9 8 80 . 2 2 9 7 1 10 . 1 3 9 0 4 50 . 1 6 7 0 0 40 . 1 2 6 9 3 3 90 . 2 2 5 4 1 40 . 1 3 4 6 6 40 . 1 3 3 2 0 40 . 1 2 4 7 7 0 1 00 . 1 9 2 6 1 30 . 1 3 2 6 1 40 . 1 2 6 8 4 50 . 1 2 0 9 1 0 1 10 . 1 8 0 8 7 00 . 1 2 8 5 7 70 . 1 2 4 8 1 30 . 1 1 6 5 0 1 1 20 . 1 5 8 7 9 70 . 1 2 3 8 5 60 . 1 2 1 0 2 50 . 1 0 6 5 6 3 根据表 3的数据可知, 4种结构布置方案的自 振周期不同, 如图 4所示, 则反映结构的刚度不同, 其中 图 4 4种结构布置方案自振周期对比 F i g . 4 T h ec o mp a r i s o nc h a r t o f f o u rk i n d s o f s t r u c t u r a l v i b r a t i o np e r i o dl a y o u t p l a n 1 ) 框架 单斜杆中心支撑结构体系的自振周期 最小, 结构刚度最大; 2 ) 纯框架结构体系的自振周期最大, 结构刚度 最小; 3 ) 框架 单斜杆偏心支撑和钢板剪力墙结构体 系的自振周期居于中间。 4 结构地震响应分析 4 . 1 结构基底剪力 方案 2 、 3 、 4由于布置支撑和剪力墙增大了结构 的侧向刚度, 致使 3种方案的基底剪力均有所增大。 方案 2 、 3 、 4与方案 1的基底剪力比较的时程曲线如 图 5 、 6所示。 图 5 E l C e n t r o 波地震作用下基底剪力时程曲线对比 F i g . 5 T h ec o mp a r i s o nc h a r t o f b a s es h e a rt i me h i s t o r yc u r v eu n d e rE l C e n t r oe a r t h q u a k e 图 6 T a f t 波地震作用下基底剪力时程曲线对比 F i g . 6 T h ec o mp a r i s o nc h a r t o f b a s es h e a rt i me h i s t o r yc u r v eu n d e rT a f t e a r t h q u a k e 通过计算得到 4种布置方案的基底剪力数据, 见表 4 。 表 4 基底剪力 T a b l e 4 B a s es h e a r 基底剪力/ k N方案 1方案 2方案 3方案 4 E l C e n t r o 波4 2 9 67 9 5 97 0 5 57 9 7 0 T a f t 波5 3 2 61 0 2 4 57 9 3 59 6 6 9 支撑和剪力墙有效提高了结构的抗侧刚度, 方 案 2 、 3 、 4的基底剪力较纯框架相应增大, 如下所示 1 ) 方案 2在 E l C e n t r o波下基底剪力增大了 1 8 5 %, T a f t 波作用下基底剪力增大了 1 9 2 %; 2 ) 方案 3在 E l C e n t r o 波下基底剪力分别增大 1 6 4 %, T a f t 波作用下基底剪力分别增大了 1 5 0 %; 3 ) 方案 4在 E l C e n t r o 波下基底剪力分别增大 651 四川建筑科学研究第 4 0卷 1 8 6 %, T a f t 波作用下基底剪力分别增大了 1 8 2 %。 从数据分析可以看出, 方案 3基底剪力效果最 好。 4 . 2 结构顶层最大位移 方案 2 、 3 、 4由于布置支撑和剪力墙增大了结构 的侧向刚度, 致使 3种方案的顶层位移均有所减小。 方案 2 、 3 、 4与方案 1的基底剪力比较的时程曲线如 图 7 、 8所示。 通过计算得到 3种布置方案的顶层最大位移数 据, 见表 5 。 图 7 E l C e n t r o 波地震作用下顶层位移时程曲线对比 F i g . 7 T h ec o mp a r i s o nc h a r t o f t o pf l o o r s d i s p l a c e me n t t i me h i s t o r yc u r v eu n d e rE l C e n t r oe a r t h q u a k e 图 8 T a f t 波地震作用下顶层位移时程曲线对比 F i g . 8 T h ec o mp a r i s o nc h a r t o f t o pf l o o r s d i s p l a c e me n t t i me h i s t o r yc u r v eu n d e rT a f t e a r t h q u a k e 表 5 顶层最大位移 T a b l e 5 T o pf l o o r s ma x i mu md i s p l a c e me n t 顶层最大位移/ m m方案 1方案 2方案 3方案 4 E l C e n t r o 波1 9 51 6 71 7 61 7 0 T a f t 波1 9 01 5 71 7 31 5 2 根据表 5中数据得到, 在地震作用下方案 2 、 3 、 4的顶层位移较纯框架相应减少, 如下所示 1 ) 方案 2在 E l C e n t r o波下顶层位移减少了 1 4 %, 在 T a f t 波下顶层位移减少了 1 7 %; 2 ) 方案 3在 E l C e n t r o波下顶层位移减少了 1 0 %, 在 T a f t 波下顶层位移减少了 9 %; 3 ) 方案 4在 E l C e n t r o波下顶层位移减少了 1 3 %, 在 T a f t 波下顶层位移减少了 2 0 %。 从数据分析可以看出, 方案 3对顶层最大位移 控制效果最好。 4 . 3 结构层间位移角 1 ) 计算得到 E l C e n t r o 波作用下各方案的层间 位移角结果, 见表 6 。 表 6 E l C e n t r o 波作用下层间位移角 T a b l e 6 T h er e l a t i v es t o r yd i s p l a c e me n t a n g l e u n d e rE l C e n t r oe a r t h q u a k e 楼层方案 1方案 2方案 3方案 4 10 . 0 1 0 7 70 . 0 0 5 6 50 . 0 0 8 4 50 . 0 0 6 0 5 20 . 0 1 2 0 80 . 0 0 6 0 60 . 0 0 9 2 70 . 0 0 6 6 3 30 . 0 1 1 6 80 . 0 0 7 0 50 . 0 0 8 8 50 . 0 0 6 9 9 40 . 0 1 0 1 60 . 0 0 7 2 90 . 0 0 8 1 40 . 0 0 7 0 3 50 . 0 0 7 5 50 . 0 0 6 7 30 . 0 0 6 6 60 . 0 0 6 6 7 60 . 0 0 4 8 30 . 0 0 5 0 10 . 0 0 4 6 90 . 0 0 5 2 4 2 ) 计算得到 T a f t 波作用下各方案的层间位移 角结果, 见表 7 。 表 7 T a f t 波作用下层间位移角 T a b l e 7 T h er e l a t i v es t o r yd i s p l a c e me n t a n g l e u n d e rT a f t e a r t h q u a k e 楼层方案 1方案 2方案 3方案 4 10 . 0 1 2 8 80 . 0 0 8 4 20 . 0 1 0 4 80 . 0 0 9 2 6 20 . 0 1 4 0 00 . 0 0 9 3 90 . 0 1 0 9 40 . 0 0 9 7 9 30 . 0 1 3 6 00 . 0 0 9 7 30 . 0 1 0 9 00 . 0 0 9 9 3 40 . 0 1 2 7 20 . 0 0 9 8 20 . 0 1 0 5 20 . 0 0 9 7 4 50 . 0 1 0 0 40 . 0 0 8 4 80 . 0 0 8 7 80 . 0 0 8 6 4 60 . 0 0 5 8 80 . 0 0 5 8 50 . 0 0 6 3 00 . 0 0 6 1 5 3 ) 3种方案层间位移角的对比如图 9 、 1 0所示。 图 9 E l C e n t r o 波作用下的层间位移角 F i g . 9 T h er e l a t i v es t o r yd i s p l a c e me n t a n g l e u n d e rE l C e n t r oe a r t h q u a k e 5 结 论 1 ) 对于多层轻钢结构, 根据4 种布置方案自振 ( 下转第 1 8 3页) 751 2 0 1 4N o 2史三元, 等 高烈度设防多层轻钢结构抗震性能分析 时域和频域开展了系统的研究, 得出以下结论 1 ) 以仰斜式挡土墙底部为基准, 挡墙的中部为 加速度、 加速度反应谱放大性的转折点, 即墙底至 0 5倍墙高范围内, 水平加速度沿墙高逐渐减小, 而 在 0 5倍墙高至墙顶范围内, 水平加速度沿墙高逐 渐增加; 2 ) 地震波沿墙高向上传播的过程中, 存在低频 成分逐渐放大的效应; 3 ) 以输入波为基准, 地震波沿墙高向上传播的 过程中, 地震波的总能量逐渐减小。 参 考 文 献 [ 1 ] 李海光. 新型支挡结构设计与工程实例[ M] . 北京 人民交通 出版社, 2 0 0 4 . [ 2 ] 周德培, 张建经, 汤 勇. 汶川地震道路边坡工程震害分析 [ J ] . 岩石力学与工程学报, 2 0 1 0 , 2 9 ( 3 ) 5 6 5 5 7 6 . [ 3 ] 陈 强, 杨长卫, 张建经, 等. 汶川地震中高大加筋土挡墙破坏 机理研究[ J ] . 铁道建筑, 2 0 1 0 ( 9 ) 7 3 7 7 . [ 4 ] Z e n gX . S e i s m i cR e s p o n s eo fG r a v i t yQ u a yWa l l sI C e n t r i f u g e M o d e l i n g [ J ] . J o u r n a l o f G e o t e c h n i c a l a n dG e o e n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g . A S C E , 1 9 9 8 , 1 2 4 ( 5 ) 4 0 6 4 1 7 . [ 5 ] S e e dHB , Wh i t e m a nRV . “ D e s i g no f E a r t hR e t a i n i n gS t r u c t u r e s f o r D y n a m i c l o a d s ”, L a t e r a l s t r e s s e s i nt h eG r o u n da n dD e s i g no f E a r t hR e t a i n i n gS t r u c t u r e s [ J ] . A S C E , 1 9 7 0 1 0 3 1 4 7 . [ 6 ] G B5 0 1 1 1 2 0 0 6铁路工程抗震设计规范[ S ] . [ 7 ] J T J 0 0 4 8 9公路工程抗震设计规范[ S ] . [ 8 ] T o d o r o v s k i . A nE x p e r i m e n t a lS t u d yo nt h eK i n e t i c so faF r e e S t a n d i n gR e t a i n i n gWa l l u n d e r S e i s m i cE x i t a t i o n [ D ] . P h . D . D i s s e r t a t i o n . D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g , T e x a s A & MU n i v e r s i t y , 1 9 9 9 8 5 1 4 9 . [ 9 ] I a i S . R i g i da n df l e x i b l er e t a i n i n gw a l l sd u r i n gk o b ee a r t h q u a k e . P r o c . O ft h eF o r t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nc a s eh i s t o r i e si n G e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g .S t .L o u i s ,M O ,C D R O M,S O A 4 , 1 9 9 8 1 0 8 1 2 7 . [ 1 0 ]许 强, 曾裕平. 具有蠕变特点滑坡的加速度变化特征及临滑 预警指标研究[ J ] . 岩石力学与工程学报, 2 0 0 9 ( 2 8 ) 1 0 0 9 櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏 1 1 0 6 . ( 上接第 1 5 7页) 图 1 0 T a f t 波作用下的层间位移角 F i g . 1 0 T h er e l a t i v es t o r yd i s p l a c e me n t a n g l e u n d e rT a f t e a r t h q u a k e 周期的对比, E B F结构在 8度罕遇地震下, 具有其他 3种结构体系的综合优势, 在不增加钢材使用量的 情况下, 可更有效的提高结构体系的刚度。 2 ) 在顶层位移、 层间位移角时程分析中, 方案 3 能更有效的控制结构的顶层位移和层间位移角, 利 用耗能梁段的布置, S P S W结构体系较次之, C B W再 次之, U B F最差。 3 ) 由于支撑和剪力墙的布置, 结构侧向刚度和 基底剪力都有所增大。 4 ) 通过对比分析, 多层轻钢结构在 8度罕遇地 震作用下, E B F结构整体抗震性能优于其他 3种方 案, 其次考虑 S P S W和 C B F结构体系。 参 考 文 献 [ 1 ] 闫月梅, 郭秉山, 等. Y型偏心支撑钢框架受力性能有限元分 析[ J ] . 西安科技大学学报, 2 0 0 9 , 2 9 ( 2 ) 1 5 4 1 5 8 . [ 2 ] 李新华, 舒赣平, 等. 偏心支撑框架的设计探讨[ J ] . 工业建筑, 2 0 0 1 , 3 1 ( 8 ) 8 1 0 . [ 3 ] G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3钢结构设计规范[ S ] . [ 4 ] G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0建筑抗震设计规范[ S ] . [ 5 ] 史三元, 穆金花, 等. S P S W对钢框架结构体系抗震性能影响分 析[ J ] . 河北工程大学学报, 2 0 1 1 , 3 ( 1 9 ) 4 7 . 381 2 0 1 4N o 2陈志伟 地震作用下仰斜式挡墙的动力响应分析