12層人字形支撐鋼框架結(jié)構(gòu)彈塑性受力性能研究

1、<p>　　12層人字形支撐鋼框架結(jié)構(gòu)彈塑性受力性能研究</p><p>　　摘要: 對(duì)四種不同結(jié)構(gòu)形式的12層人字形支撐鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在進(jìn)行初步設(shè)計(jì)和優(yōu)化調(diào)整以后，確定了結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸。Pushover分析時(shí)，四種結(jié)構(gòu)模型在側(cè)向加載模式作用下，產(chǎn)生各自的基底剪力-位移曲線及用能力譜法得到各自的荷載-位移曲線、塑性鉸出現(xiàn)的先后順序和結(jié)構(gòu)的薄弱層，考慮八度罕遇地震烈度設(shè)防下，得到各個(gè)結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)

2、以及性能點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的頂層最大位移與最大層間角位移，并對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)在八度罕遇地震作用下的抗震性能進(jìn)行了評(píng)估，得出四種結(jié)構(gòu)模型哪種結(jié)構(gòu)形式更好哪種結(jié)構(gòu)形式較弱； </p><p>　　關(guān)鍵詞: 人字形中心支撐鋼框架；Pushover分析；彈塑性時(shí)程分析 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TU392 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A </p><p>　　Research on the ela

3、stic-plastic Performance of 12 stories Inverted-V concentrically braced steel frame (CBSF) </p><p>　　Yin Tao，Ma zhengwei </p><p>　　(Department of Civil and Architecture Engineering, Xi'an Un

4、iversity of Science and Technology, ,Xi’an 710054, China) </p><p>　　Abstract: Firstly, the paper designs four different kinds of 12 stories inverted-V concentrically braced steel structure. After preliminary

5、 design and adjustment, the paper determines the size of structural members. When four different models under pushover analysis and under the lateral loading, the paper uses capacity spectrum method to get load-displacem

6、ent curves, the plastic hinge generated sequence and the weakest position of the structure. Then the paper summarizes the influence of the pu</p><p>　　Keywords: the inverted-V concentrically braced steel fra

7、me; Pushover analysis; Non-linear time-history analysis </p><p><b>　　1引言 </b></p><p>　　現(xiàn)代高層建筑鋼結(jié)構(gòu)是反映一個(gè)城市經(jīng)濟(jì)繁榮和社會(huì)進(jìn)步的重要標(biāo)志，它是隨著社會(huì)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)進(jìn)步和人們的生活需要而發(fā)展起來的，是商業(yè)化、工業(yè)化和城市化的結(jié)果。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及

8、鋼結(jié)構(gòu)加工制作技術(shù)的進(jìn)步，為高層建筑鋼結(jié)構(gòu)提供了廣闊的發(fā)展空間。 </p><p>　　結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)概況 </p><p>　　本文研究的一組人字形支撐鋼框架結(jié)構(gòu)模型如圖1所示 </p><p>　　圖1 一組人字形支撐鋼框架結(jié)構(gòu)模型 </p><p>　　四個(gè)結(jié)構(gòu)跨數(shù)取三跨，結(jié)構(gòu)的縱向跨度取10m，層數(shù)12層，橫向跨度均取為10m，層高為

9、3.6m。樓屋面恒荷載3.5，樓面活荷載2.0，屋面活荷載2.0(上人屋面)，基本風(fēng)壓0.3，雪荷載0.4，地面粗糙度C類，抗震設(shè)防烈度為8.5度，場(chǎng)地類別為II類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，采用Q235鋼材。不考慮東西向的抗側(cè)力體系，南北向的抗側(cè)力體系為兩榀中心支撐鋼框架，每榀中心支撐鋼框架抵抗整個(gè)結(jié)構(gòu)一半的側(cè)力。由于對(duì)稱性，不考慮結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)。本文采用有限元計(jì)算程序Sap2000對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，四個(gè)模型柱材料及尺寸相同，梁柱略有

10、差異，結(jié)構(gòu)的梁柱材料及尺寸見下表1。 </p><p>　　表1 模型4的截面尺寸及材料（8度） </p><p>　　表2 模型1的截面尺寸及材料（8度） </p><p>　　表3 模型2的截面尺寸及材料（8度） </p><p>　　表4 模型3的截面尺寸及材料（8度） </p><p>　　表512層人字形鋼框

11、架柱截面尺寸及材料（8度） </p><p>　　3 Pushover分析 </p><p>　　3.1 四個(gè)模型的基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線 </p><p>　　圖4模型1基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線圖5 模型2基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線 </p><p>　　圖6模型3基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線 圖7 模型4基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線 </p>

12、<p>　　圖8 基底剪力—頂點(diǎn)位移曲線 </p><p>　　由圖4~7可以看出，在線彈性階段，曲線斜率最大的是模型2，模型4次之，模型3排在第三位，模型1的斜率最小，而曲線的斜率則反映了整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，這說明模型1的鋼框架結(jié)構(gòu)的剛度相對(duì)偏低，變形最大，而模型2的側(cè)向剛度最大，變形最小。隨著側(cè)向均布加載的繼續(xù)增加，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后，整體剛度逐漸降低，基底剪力最大的也是模型2，模型4的基底地剪

13、力僅次于模型2，模型1排在第三位，模型3的基地剪力最小。從基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線的角度可以的出結(jié)論：模型2的結(jié)構(gòu)抗震性能更好，模型1的結(jié)構(gòu)抗震性能最弱。 </p><p>　　3.2性能點(diǎn)的比較與分析 </p><p>　　四個(gè)模型的能力譜-需求譜曲線圖見下圖8~11。 </p><p>　　圖8模型1在罕遇地震作用下的 圖9 模型2在罕遇地震作用下的 </p

14、><p>　　能力譜-需求譜曲線圖能力譜-需求譜曲線圖 </p><p>　　圖10 模型3在罕遇地震作用下的 圖11 模型4在罕遇地震作用下的 </p><p>　　能力譜-需求譜曲線圖 能力譜-需求譜曲線圖 </p><p>　　結(jié)構(gòu)模型在罕遇地震作用下的性能點(diǎn)分析 </p><p>　　從各結(jié)構(gòu)模型在罕遇地震作用下性

15、能點(diǎn)的值表明：四個(gè)結(jié)構(gòu)模型的能力譜曲線均與需求譜曲線相交，交點(diǎn)是八度設(shè)防、Ⅱ類場(chǎng)地類別下結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)，且交點(diǎn)位置均處于能力譜曲線的彈塑性階段，四個(gè)結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)能力大于結(jié)構(gòu)的位移需求能力，結(jié)構(gòu)的抗震性都能滿足八度罕遇地震作用下的彈塑性變形要求。經(jīng)過四個(gè)結(jié)構(gòu)模型性能點(diǎn)的比較可知：模型1達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)的基底剪力最小，頂點(diǎn)位移最大，結(jié)構(gòu)的變形最大，模型2達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)的基底剪力最大，頂點(diǎn)位移最小，結(jié)構(gòu)的變形最小。表明模型2的剛度最大，模型1的延性

16、最好。 </p><p>　　3. 3層間位移及層間位移角的分布 </p><p>　　(1) 層間位移及層間位移角 </p><p>　　圖12為模型1，模型2，模型3及模型4在八度抗震設(shè)防時(shí)，結(jié)構(gòu)達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)的層間位移沿豎向樓層的線分布圖。 </p><p>　　圖128度罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)樓層層間位移曲線分布圖 </p>

17、<p>　　在罕遇地震時(shí)，模型1、2、3、4的最大層間角位移為1/70.8、1/64、1/76、1/78，均小于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]GB50011—2010中規(guī)定的彈塑性層間位移角的最大值1/50。在罕遇地震作用下，模型1~模型4的最大層間位移角均發(fā)生在結(jié)構(gòu)的第三層，表明第三層為結(jié)構(gòu)的薄弱層。 </p><p>　　3.4 塑性鉸的分布及破壞形式 </p><p>　　模型

18、1、模型2、模型3、模型4在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)達(dá)到性能時(shí)，各個(gè)結(jié)構(gòu)的塑性鉸均首先出現(xiàn)在一到四層的支撐上，并逐漸向上發(fā)展，模型4有八層的支撐出現(xiàn)了塑性鉸，模型2也有七層的支撐出現(xiàn)了塑性鉸，而其他兩個(gè)模型的支撐只有五層出現(xiàn)塑性鉸，這說明支撐作為防御地震的第一道耗能構(gòu)件沒有在模型1和模型3上較好利用；四個(gè)模型在支撐出現(xiàn)塑性鉸后，隨著荷載的繼續(xù)增加，梁端相繼出現(xiàn)塑性鉸，四個(gè)模型中梁的塑性鉸均出現(xiàn)在一到四層，而模型2的梁端出現(xiàn)塑性鉸的數(shù)量最多，發(fā)

19、展最充分。綜合分析，模型2的結(jié)構(gòu)形式最好，模型4次之，模型1最不好。 </p><p><b>　　模型1模型2 </b></p><p><b>　　模型3 模型4 </b></p><p><b>　　3.5 總結(jié) </b></p><p>　　綜上所述，模型1、模型2、模

20、型3、模型4綜合研究得出以下結(jié)論：模型2的結(jié)構(gòu)抗震性能略好于模型4，這可以表明模型2的支撐布置形式不遜于我們通常把所有支撐都放在中間跨的結(jié)構(gòu)形式即模型4。模型1的結(jié)構(gòu)抗震性能最弱，應(yīng)盡量避免此種支撐布置形式。 </p><p><b>　　4結(jié)束語 </b></p><p>　　論文先是對(duì)四種不同結(jié)構(gòu)形式的12層人字形支撐鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了Pushover靜力分析，然后