12层人字形支撑钢框架结构弹塑性受力性能研究

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摘要: 对四种不同结构形式的12层人字形支撑钢框架结构进行了结构设计。在进行初步设计和优化调整以后，确定了结构构件尺寸。Pushover分析时，四种结构模型在侧向加载模式作用下，产生各自的基底剪力-位移曲线及用能力谱法得到各自的荷载-位移曲线、塑性铰出现的先后顺序和结构的薄弱层，考虑八度罕遇地震烈度设防下，得到各个结构的性能点以及性能点处结构的顶层最大位移与最大层间角位移，并对各个结构在八度罕遇地震作用下的抗震性能进行了评估，得出四种结构模型哪种结构形式更好哪种结构形式较弱；

关键词: 人字形中心支撑钢框架；Pushover分析；弹塑性时程分析

中图分类号：TU392 文献标志码：A

Research on the elastic-plastic Performance of 12 stories Inverted-V concentrically braced steel frame (CBSF)

Yin Tao，Ma zhengwei

(Department of Civil and Architecture Engineering, Xi'an University of Science and Technology, ,Xi’an 710054, China)

Abstract: Firstly, the paper designs four different kinds of 12 stories inverted-V concentrically braced steel structure. After preliminary 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-displacement curves, the plastic hinge generated sequence and the weakest position of the structure. Then the paper summarizes the influence of the pushover curve and the plastic hinge location of the hinge sequence under the lateral load patterns. Considering preventing the rare eight occurred earthquake intensity, obtains performance point of the structure and the top structure’s maximum, displacement and maximum angular displacement between layers on performance points, and evaluates seismic performance under the rare eight occurred earthquake of the structure. Then choose which model is best,which model is most weakness.

Keywords: the inverted-V concentrically braced steel frame; Pushover analysis; Non-linear time-history analysis

1引言

现代高层建筑钢结构是反映一个城市经济繁荣和社会进步的重要标志，它是随着社会的经济、技术进步和人们的生活需要而发展起来的，是商业化、工业化和城市化的结果。计算机模拟技术在建筑领域的广泛应用以及钢结构加工制作技术的进步，为高层建筑钢结构提供了广阔的发展空间。

结构模型的设计概况

本文研究的一组人字形支撑钢框架结构模型如图1所示

图1 一组人字形支撑钢框架结构模型

四个结构跨数取三跨，结构的纵向跨度取10m，层数12层，横向跨度均取为10m，层高为3.6m。楼屋面恒荷载3.5，楼面活荷载2.0，屋面活荷载2.0(上人屋面)，基本风压0.3，雪荷载0.4，地面粗糙度C类，抗震设防烈度为8.5度，场地类别为II类，设计地震分组为第二组，采用Q235钢材。不考虑东西向的抗侧力体系，南北向的抗侧力体系为两榀中心支撑钢框架，每榀中心支撑钢框架抵抗整个结构一半的侧力。由于对称性，不考虑结构的平面内扭转。本文采用有限元计算程序Sap2000对模型进行结构设计，四个模型柱材料及尺寸相同，梁柱略有差异，结构的梁柱材料及尺寸见下表1。

表1 模型4的截面尺寸及材料（8度）

表2 模型1的截面尺寸及材料（8度）

表3 模型2的截面尺寸及材料（8度）

表4 模型3的截面尺寸及材料（8度）

表512层人字形钢框架柱截面尺寸及材料（8度）

3 Pushover分析

3.1 四个模型的基底剪力-顶点位移曲线

图4模型1基底剪力-顶点位移曲线图5 模型2基底剪力-顶点位移曲线

图6模型3基底剪力-顶点位移曲线 图7 模型4基底剪力-顶点位移曲线

图8 基底剪力—顶点位移曲线

由图4~7可以看出，在线弹性阶段，曲线斜率最大的是模型2，模型4次之，模型3排在第三位，模型1的斜率最小，而曲线的斜率则反映了整体结构的抗侧刚度，这说明模型1的钢框架结构的刚度相对偏低，变形最大，而模型2的侧向刚度最大，变形最小。随着侧向均布加载的继续增加，结构进入弹塑性阶段后，整体刚度逐渐降低，基底剪力最大的也是模型2，模型4的基底地剪力仅次于模型2，模型1排在第三位，模型3的基地剪力最小。从基底剪力-顶点位移曲线的角度可以的出结论：模型2的结构抗震性能更好，模型1的结构抗震性能最弱。

3.2性能点的比较与分析

四个模型的能力谱-需求谱曲线图见下图8~11。

图8模型1在罕遇地震作用下的 图9 模型2在罕遇地震作用下的

能力谱-需求谱曲线图能力谱-需求谱曲线图

图10 模型3在罕遇地震作用下的 图11 模型4在罕遇地震作用下的

能力谱-需求谱曲线图 能力谱-需求谱曲线图

结构模型在罕遇地震作用下的性能点分析

从各结构模型在罕遇地震作用下性能点的值表明：四个结构模型的能力谱曲线均与需求谱曲线相交，交点是八度设防、Ⅱ类场地类别下结构的性能点，且交点位置均处于能力谱曲线的弹塑性阶段，四个结构的位移反应能力大于结构的位移需求能力，结构的抗震性都能满足八度罕遇地震作用下的弹塑性变形要求。经过四个结构模型性能点的比较可知：模型1达到性能点时的基底剪力最小，顶点位移最大，结构的变形最大，模型2达到性能点时的基底剪力最大，顶点位移最小，结构的变形最小。表明模型2的刚度最大，模型1的延性最好。

3. 3层间位移及层间位移角的分布

(1) 层间位移及层间位移角

图12为模型1，模型2，模型3及模型4在八度抗震设防时，结构达到性能点时的层间位移沿竖向楼层的线分布图。

图128度罕遇地震作用下结构楼层层间位移曲线分布图

在罕遇地震时，模型1、2、3、4的最大层间角位移为1/70.8、1/64、1/76、1/78，均小于《建筑抗震设计规范》[1]GB50011—2010中规定的弹塑性层间位移角的最大值1/50。在罕遇地震作用下，模型1~模型4的最大层间位移角均发生在结构的第三层，表明第三层为结构的薄弱层。

3.4 塑性铰的分布及破坏形式

模型1、模型2、模型3、模型4在罕遇地震作用下结构达到性能时，各个结构的塑性铰均首先出现在一到四层的支撑上，并逐渐向上发展，模型4有八层的支撑出现了塑性铰，模型2也有七层的支撑出现了塑性铰，而其他两个模型的支撑只有五层出现塑性铰，这说明支撑作为防御地震的第一道耗能构件没有在模型1和模型3上较好利用；四个模型在支撑出现塑性铰后，随着荷载的继续增加，梁端相继出现塑性铰，四个模型中梁的塑性铰均出现在一到四层，而模型2的梁端出现塑性铰的数量最多，发展最充分。综合分析，模型2的结构形式最好，模型4次之，模型1最不好。

模型1模型2

模型3 模型4

3.5 总结

综上所述，模型1、模型2、模型3、模型4综合研究得出以下结论：模型2的结构抗震性能略好于模型4，这可以表明模型2的支撑布置形式不逊于我们通常把所有支撑都放在中间跨的结构形式即模型4。模型1的结构抗震性能最弱，应尽量避免此种支撑布置形式。

4结束语

论文先是对四种不同结构形式的12层人字形支撑钢框架结构进行了Pushover静力分析，然后对Pushover分析的结果进行比较研究得出结论，由于Pushover是静力分析，还可以用动力时程分析加以分析，因此可以进一步的研究静力和动力分析后结果的比较。

参考文献:

[1] 建筑抗震设计规范(GB50011一2010) [M].中国建筑工业出版社,2010