高层超限钢结构框架-支撑结构设计.pdf

l 1 6 低温建筑技术 2 0 1 4年第4 期 总第 1 9 0 期 高层超限钢结构框架． 支撑结构设计 张露月 ， 秦贵虎， 张庆 昆明理工大学土木工程学院土木 系． 昆明6 5 0 5 0 0 【 摘要】 爱尚苑办公楼为高层钢结构办公楼， 主体结构总高度 9 8 ． 5 5 m， 高宽比为 3 ． 5 7 。整个结构属于扭 转超限高层建筑。为验证结构的抗震性能， 设计阶段采用了两种有限元软件 S A T WE和 E T A B S ， 通过弹性时程分 析和 P u s h o v e r 分析对矩形钢管混凝土框架 一钢支撑 屈曲约束支撑 结构体系这一方案进行研究计算。结果表 明， 结构的整体抗震性能验算指标满足规范要求。 【 关键词】 钢框架 一 支撑体系； 弹性时程分析； P u s h o v e r 分析 【 中图分类号】 T U 9 7 3 ． 1 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 4 o 4 0 l 1 6 一 O 3 1 工程概况 爱尚苑综合办公楼平面呈长方形， 东西长3 4 ． 2 m， 南北宽 2 7 ． 6 m， 地上部分主体结构 2 5层， 1～ 4层为商 业， 5 2 5层为办公楼， 地下 3层。结构设计使用年限 5 0年， 耐久年限 1 0 0年； 建筑主体结构的安全等级为 二级； 建筑所在地抗震设防烈度为8度， 设计基本地震 加速度为0 ． 2 0 g ， 设计地震分组为第三组 ， 建筑的抗震 设防类别为标准设防 丙 类 ， 建筑场地为类别为 Ⅲ 类； 地面粗糙度为 c类。 2结构 分析模型 爱尚苑综合办公楼在初步设计阶段进行了多种 方案的比较， 最后选用了带支撑的钢框架内筒加外框 架结构形式 。 2 ． 1 构件的模拟 在 E T A B S中构件的模拟如下 对于支撑， 均采用 B r a c e 单元组件来模拟， 支撑材料为考虑钢屈曲效应的 非线性钢材； 钢管混凝土柱采用纤维模型模拟 ， 截面 按钢管与混凝 土分别划 分纤维 ， 考虑钢 管对混凝 土 的 约束作用； 钢管柱全部采用塑性铰模型模拟， 在构件 端部设 PMM弯矩曲率铰 ； 主梁采用塑性铰模型 图1工程模型图 模拟， 在构件端部设弯矩 曲率铰； 次梁按弹性构件模 拟； 屈曲约束支撑采用 P铰模拟。 2 ． 2 钢 管混凝土柱纤维模型 的建立 钢材应力 一 应 变关 系选用 双线 性模 型 ， 不 考虑 屈 曲效应、 强度损失 ， 即为理想弹塑性应力 一应变关系。 钢管混凝土柱核心混凝土的应力 一应变关系参考适 用于高强混凝土的钢管混土柱修正后的 m a n d e r 约束 混凝土应力 一应变关系模型， 简化为 5折线模型， 考虑 混凝土的强度损失。钢管混凝土柱组件分别按 0 ． 2倍 的实际柱长的纤维段 组成纤 维模 型。 2 ． 3 钢管柱和钢梁塑性铰模型的建立 采用基于材料本构关 系的构件弹塑性分析程序 进行构件弯矩 一曲率关系计算， 根据所得的弯矩 一曲 率关系建立骨架曲线， 从而定义弯矩曲率铰和 PM M弯矩曲率铰。构件的塑性发展 由弯矩 一曲率塑 性铰来考虑， 选用 0 ． 5 D 其中 D为构件的截面高度 的辅助长度。弯矩 一曲率塑性铰主要布置在构件曲 率变化较大的部位， 如梁端部。对于其它部位曲率变 化较小 ， 按弹性构件段考虑 。 楼层层间位移角 图2 地震作用下x向楼层层问位移角 3分析 结果 3 ． 1 结 构的 自振特性 从表 l 的比较可以看出， 两个软件计算的结构周 口 噬 一S A T WE E TABS 一 限值 楼层层间位移角 图3 地震作用下xf甸楼层层间位移角 期 比较接近 ， 第一 周期 都为 向平 动周 期 ， 第 三周 期 都为扭转周期 ， 第一扭平 比均小于 0 ． 9 ， 满足规范要 求。同时第一扭平比大于 0 ． 8 5 ， 说明扭转对结构的影 张露月等 高层超限钢结构框架一 支撑结构设计 l 1 7 响 比较明显。 表 1 基本自振周期 3 ． 2 结构的位移变形 分别对结构进行了多遇地震、 设防地震和罕遇地 震下的计算。图 2和图3给出了结构在多遇地震作用 a ． 地 II【I IIJIl 。JIIjIIJ 1IIf『 f ’ RH1 T G O 6 5 T 3 9 ． 9 8 s 一IL ⋯ ’ 1lI r ” ． 山 呲 fl『lI 邢 下结构位移与层间位移角分布结果。由图2和图 3可 见， 在整个加载过程中， 以剪切型变形为主的外框架 在各层楼板的约束作用下变形协调。同时， 由于屈曲 约束支撑的影响， 其变形既不同于剪切形、 弯曲变形 ， 也不是弯剪形变形， 但最大层间位移仍出现在中间层。 3 ． 3 弹性时程分析 结构的弹性时程分析选用了Ⅲ类场地上的 5 条实 测地 震 波 T H 3 T G 0 6 5 、 u S E R 2 0 、 U S E R 9 2 8 、 U S E R 7 2 8 、 U S E R 9 1 4 6 和 两 条 人 工 地 震 波R H 1 T G 0 6 5 和 R H 2 T G 0 6 5等 7条波形 见图 4所示 ， 按照规范规定 ， 将上述波进行归一化处理后作为时程分析的输入加 速度， 进行了单向地震波输入计算。 ～．． ． ” 。 ⋯⋯ I ⋯ ～ ⋯ 一 ll1 l ⋯ ⋯⋯ R H2 T G 0 6 5 T 3 9 ． 9 8 s T H 3 T C ． { 5 T 3 9 ．9 8 s U S E R 2 0 T 3 0 ． 2 2 s J ～ 一 ’ ⋯ 一IIJl_l L ⋯ ⋯ 一 r jl 『 Y ⋯ ⋯ US E R 9 2 8 T 2 8 ． 5 U S E R 7 2 8 T -- 2 0 ．7 2 s U S E R 9 1 4 6 7 “-- 2 0 ． 7 0 s 图4 弹性时程分析所用的地震波 根据选中的地震波， 做出相应的地震影响系数曲线 图， 并与建筑抗震设计规范规定的设计用地震影响系数 曲线对 比。结果表 明， 所选取的五条实际波和两条人工 模拟波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法 所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。 由图 5一图 8可 见 结 构 时 程 分 析 均 满 足 规 范 要求 。 1 各条地震波底部地震剪力均大于 C Q C的 6 5 ％， 各条波底部地震剪力平均值大于 C Q C的 8 0 ％。 每条地震波计算不大于 1 3 5 ％， 平均不大于 1 2 0 ％， 满 足抗震规范要求 。 2 层 间位移角 的平均值满 足抗震 规范 的 要求。 3 ． 4中震不屈服分析 通过量化的弹性计算方法， 找出薄弱构件并进行加 强， 与小震和罕遇地震作用下的抗震设计规定相结合， 更好的整体实现“ 小震不坏、 中震可修、 大震不倒” 的抗 震设防目标。对底部加强区框架柱和支撑进行中震承 载力标准值复核 中震不屈服 ， 确保中震可修。 从 中震验算结果可知 ①底部 加强 区框架梁屈 服， 但框架柱应力比均小于 1 ． 0 ， 最大为 0 ． 9 6 ， 达到中 震不屈服； ②底部加强区支撑最大轴向力均未达到屈 曲约束支撑 的屈服承载力 ； ③ 中震位移角为 向 1 ／ 1 4 7 ， Y向 1 ／ 1 4 5 ， 满足变形小于 3倍弹性位移限制 1 ／ 4 0 0 。满足 抗规 附录 M中性能 4的设防地震要求。 3 ． 5静力弹塑性分析 弹塑性静力推覆分析 P U S H O V E R 不仅可了解 结构在强烈地震下的弹塑性性能， 且能够暴露结构在 地震作用下潜在的薄弱部位和塑性铰的形成机制， 同 时， 推覆分析可以估算罕遇地震下的弹塑性位移。 3 ． 5 ． 1 中震下的性能分析 通过对模型分别进行 方向和 l ， 方向推覆分析 来寻求 8度区中震作用下结构的性能点。将 P u s h o v e r 计算得到的力 一位移关系和罕遇地震下 的反应谱分 别转换为能力谱和需求谱 ， 并统一绘在坐标系中。 方 向 中震 下基 底 剪 力 1 6 8 7 0 k N， 顶 点 位 移 2 8 6 m m， 结构主框架和屈曲约束支撑中无塑性铰出现； l ， 方 向中震下基底剪力 1 8 0 6 0 k N， 顶点位移 3 1 8 ra m， 结 构主框架 中有 5根屈曲约束支 撑屈服进入塑性耗能 阶 段 ， 框架梁 、 柱未出现塑性铰 。 1 1 8 低温建筑技术 2 0 1 4年第 4期 总第 1 9 0期 0 嗵 帮 Ⅲ l{ 郑 楼层最大位移／ m m 图5 楼层X向最大位移曲线 楼层剪力， k N 图7搂层Ⅺ句最大剪力曲线 3 ． 5 ． 2． 罕遇地震下的性能分析 方法同中震下的性能分析。 方向罕遇地震下基 底剪力 3 3 7 1 3 ． 6 k N， 顶点位移 6 0 ． 7 m m； Y方向罕遇地 震 下基底 剪力 2 8 4 9 8 ． 6 k N， 顶点位移 6 2 ． 2 m m。 罕遇地震 作 用下 静力 弹塑 性分 析 层 问位移 角 验 算见图 9 、 图 1 0 。 噬 鄹 位移角 图9 x h - 向层间位移角曲线 2 0 5 O ～ l 1 ‘＼ 0 1 1 2 0 0 1 ， 1 0 o 3 ／ 2 0 0 位移角 图l O 坊 向层间位移角曲线 通过 以上静力 弹塑性分析 ， 可得到如下结论 1 在 和 y方向静力弹塑性分析过程中 对 布置有屈曲约束支撑的模型， 结构的塑性铰首先出现 在结构屈曲约束支撑上， 然后其相邻区域的梁端相继 出现塑性铰。屈曲约束支撑较早开始进入耗能状态， 随着地震作用的增强， 部分框架梁开始参与耗能， 框 架柱上未出现塑性铰。这说明屈 曲约束支撑是结构 耗能的 主要 构 件 ， 同 时整 体结 构 满 足 “ 强柱 弱 梁 ” 要 求， 形成合理的整体型结构屈服机制。 2 在 罕遇地震作用下 ， 对布置有屈曲约束 支撑 口 隧 颦 0 m l{ 私 楼层最大位移／ mm 图6 楼层y 向最大位移 曲线 楼层剪力／ k N 图8 楼层 晌 最大剪力 曲线 的模型， 结构整体变形不超过规范限值 ， 其中主要耗能 构件屈曲约束支撑能充分消耗地震能量。静力弹塑性 分析时 向结构最大层间位移角 1 ／ 1 1 0 ， Y向最大层间 位移角 1 ／ 8 2 。满足大震 不倒的抗震设防标准。 4结语 根据地震作用下结构位移和基底剪力可知 小震 作用下， 结构弹性时程分析的结果满足 建筑抗震设 计规范 的基本要求。通过结构层问位移角、 塑性铰 分布图可知， 小震作用下结构完全处于弹性 ， 大震作 用 下部分构件进入 塑性程度较 大 ， 相关 弹塑 性验算 指 标达到规范要求。支撑作为抗侧体系， 同时提供了结 构的抗扭 刚度 。 参考 文献 [ 1 ] 北 京金 土 木 软 件 技 术有 限公 司． E T AB S中文 版 使 用 手 册 [ Z ] ． 2 0 0 4 ． [ 2 ] 北京金土木软件技术有限公司． P u s h o v e r 分析在建筑工程抗 震设计中的应用[ Z ] ． 2 0 1 0 ． [ 3 ] G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0 ， 建筑抗震设计规范[ S ] 。 [ 4 ] J G J 3 2 0 1 0 ， 高层建筑混凝土结构技术规程[ S ] ． [ 5 ] 陈庚俊， 邱一峰． 人民 日报社综合业务楼弹塑性时程分析 [ Z ] ． 2 0 1 0 ． [ 收稿日期】 2 0 1 3 1 2 3 O [ 作者简介] 张嚣月 1 9 8 7一 ， 女， 云南玉溪人， 硕士研究生， 研究方向 道路 与桥梁 工程 。