某教学楼的抗震性能评估和经济性评价

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摘要：采用Sap2000和Perform-3d对结构进行静力弹塑性分析和动力弹塑性时程分析，已经成为对结构进行抗震评估的有效方法。本文以一五层的某教学楼为例，分别对框架结构、框架—普通支撑结构和框架—防屈曲支撑结构进行静力弹塑性分析和动力弹塑性时程分析，分别从结构的抗震性能、碳排放和经济性三方面对钢框架-支撑结构进行综合评估。研究表明框架—防屈曲支撑结构具有良好的抗震性能，并且在经济环保方面有一定的优势。

关键字：pushover、动力弹塑性时程分析、碳排放、经济性

中图分类号：U462.3+4 文献标识码：A            

0 引言

结构在地震作用下将出现不同程度的变形破坏，本例中结构的底层高度和跨度较大，在地震作用下，形成了薄弱层。纯框架结构的抗震性能较差，对比分析框架—普通支撑结构和框架—防屈曲支撑结构的抗震性能，并对比循环钢和钢筋混凝土结构的碳排放和经济性。

1 分析方法

在静力弹塑性分析方法中，参照FEMA356设定结构构件的性能水准，利用Sap2000和Perform-3D对结构进行静力推覆分析，对比纯框架、普通支撑框架和防屈曲支撑框架的推覆曲线、层间位移角以及层间剪力曲线。根据ATC-40，确定结构在不同地震水准下的目标性能点以及出现塑性铰的机制。对结构进行弹塑性动力时程分析，确定结构顶点位移时程图以及基底剪力图。根据基于能量的抗震分析方法确定结构的耗能比例和耗能机制。

2 计算模型的选取

用Perform3d对相关的试验进行模拟分析，对照软件分析结果与试验数据。确定了试验结果基本与软件分析的数据吻合，以此验证了本文所选取的分析参数和模型的取值的合理性。1992年，为研究钢框架的非线性性能，湖南大学[2]对四榀钢框架进行了低周往复试验。试验为两个单跨钢框架和两个双跨钢框架。梁柱截面选用同一截面。现选取其中的一组参数对比分析。

图1-1单跨框架 图1-2单跨框架Pushover曲线

试验中的基本假定为:1.材料为理想弹塑性。2.构件的塑性区段仅出现在杆端。3.连接为刚性的。软件的假定与试验的假定基本一致。图1-1为加载装置，图1-2为实验曲线和软件模拟结果。两者在曲线的上升段吻合较好，极限承载力峰值较一致，即结构的弹性刚度和退化后的刚度与试验吻合。当结构达到最大承载力时，Perform-3d中的承载力维持不变，而试验出现下降段。这是因为在软件模拟过程中，假定钢材为理想弹塑性的材料，不考虑钢材的屈服、紧缩以及退化阶段。试验过程中，用真实的材料进行模拟，有下降段。在实际的建筑结构中，由于钢材的延性较好，基本可以不考虑钢材的屈曲效应。

3 算例分析

3.1设计基本资料

结构平面布置如图1-3所示：立面结构图如1-4所示；

1.建筑结构的安全等级为二级，设计使用年限为50年。

2.抗震设防烈度为8度、多遇地震；设计地震分组为第一组；建筑设防类别为丙类。

3.建筑场地类别为III类。

图1-3结构平面图 图1-4结构立面图

表1-1 模态分析

由表1-1可知，钢框架-普通支撑结构的第一周期为1.35s，纯钢框架结构的第一周期为3.316s，钢框架-防屈曲支撑结构的第一周期为1.564s。可知，钢框架-防屈曲支撑结构的周期较长，刚度较小，结构较柔，因此所承受的地震力较小。

3.2定义BRB

根据普通支撑与防屈曲支撑的等效的原则，选用BRB，有效面积为2815mm2，屈服承载力971KN，硬化阶段的极限承载力为1266KN，两种BRB的刚度分别为82KN/m和140.75KN/m，相应的硬化刚度分别为1.64KN/m和2.815KN/m。

3.3 pushover曲线

采用倒三角、均布和模态的推覆方式，结果较为相近。

表1-2 不同水准下基底剪力（kN）

图1-8 X方向推覆对比 图1-9 Y方向上推覆对比

在X方向上，三种结构的刚度相近。但是在Y方向，相差较大。这是由于结构在Y方向的跨度较大，支撑布置较少，一旦支撑破坏，如同纯框架结构。防屈曲支撑对结构的承载力提高较多，对性能有较大改善。

3.4 层间位移角分布

图1-10 小震X方向推覆对比 图1-11 小震Y方向上推覆对比

由于底层框架的刚度较弱，在第一层处结构层间位移出现显著突变，在Y方向达到最强，接近规范允许的限值0.004。防屈曲支撑框架结构的层间位移角分布较均匀，未出现明显的层间位移角突变。

3.5 性能点

图1-12 BRB大震图 图1-13 纯框架大震

在大震作用下，纯框架结构梁已经从IO(立即使用)阶段到LS(生命安全)阶段，接近于CP(防止倒塌)阶段。柱出现较大塑性变形，即将达到LS(生命安全)阶段。防屈曲支撑框架结构中，支撑出现塑性变形，从brace IO(立即使用)阶段到brace LS(生命安全)阶段。梁处于将要出现塑性变形的阶状态，beam IO(立即使用)，即梁达到最大弹性承载力状态。

3.6 动力弹塑性时程分析

根据有效持时，频谱特性以及有效峰值三要素选取地震波，天然波Loma prieta、EI Centro、Northridge 14145 Mulholland和人工波Artificial。

表1-3 地震波的基底剪力（kN）

3.7 能量耗散

图1-14 纯框架大震 图1-15 BRB大震图

纯框架在第3s时出现非线性耗能，而防屈曲支撑框架结构在第4s时出现塑性耗能，说明防屈曲支撑框架的抗侧刚度较强。在第8s左右，纯框架结构的非线性耗能达到极限状态，此后出现下降段。这是由于结构构件塑性变形，结构刚度退化，塑性变形能力减弱。防屈曲支撑结构在第8s，非线性耗能达到最大，此后处于平稳状态，结构形成稳定的耗能机制。

当纯框架结构达到极限状态时，非线性耗能约占30%，粘滞耗能约为60%，弹性耗能约为10%。防屈曲支撑结构的非线性耗能约占20%，粘滞耗能约为70%，弹性耗能约为10%。纯框架结构的非线性耗能大于防屈曲支撑结构，塑性变形的程度较高。纯框架结构中框架柱为主要耗能构件，防屈曲支撑结构的支撑耗散大部分能量。

3.8碳排放

图1-18 能源消耗 图1-19碳排放

表1-4 单位建筑面积总能量消耗和碳排放[3]

3.9 经济性评估

表1-5三种结构面积利用率

表1-6基底剪力对比

表1-7结构造价对比（元）

表1-7所示仅是结构工程的材料造价，施工进度也是影响工程造价的重要因素。钢筋混凝土结构施工一层大约需15天，5层约75天，按照一天1万的定额来算，所需要的施工费用是75万。由于钢结构构件是在工厂预制，现场吊装，施工工期快，5层的钢结构约为30天即可完工，施工费用为30万[4]。

4 结论

1.钢框架-防屈曲支撑结构的周期小，在满足抗震的前提下更经济。

2.钢框架-防屈曲支撑能有效地控制结构的层间位移角突变，加强了结构的薄弱层，刚度退化缓慢，失效机制较为合理。

3.大震作用下，钢框架-防屈曲支撑结构的抗侧刚度稍有降低，结构刚度退化并不明显，纯钢框架结构抗侧刚度只有弹性阶段的1/10。

4.利用循环钢的钢框架-支撑结构的碳排放和能源消耗仅为钢筋混凝土一半，更环保。

5.通过施工成本、材料成本等因素全面分析钢框架-支撑结构的经济适用性，得出钢框架-支撑结构在我国具有较大的发展空间。

参考文献

[1]陈琳.钢框架—支撑结构的的弹塑性时程分析[D].湖南大学，2012.

[2]舒兴平,沈蒲生. 钢框架极限承载力的有限变形理论分析和试验研究.工程力学,1993, 10(4): 32-39.

[3]陈国.现代竹结构房屋的试验研究与工程应用,常州工程职业技术学院学报, 2009,4: 42-44.

[4]李良慧.建筑房屋钢结构与混凝土结构的经济技术比较:[青岛理工大学硕士论文],青岛理工大学,2012,1-2.