高层钢结构框支交错桁架结构破坏模式研究

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摘要： 采用ANSYS有限元分析软件，利用push-over分析方法对某框支交错桁架结构在不同侧力分布模式下进行抗震性能分析，得出了罕遇地震作用下框支交错桁架结构的破坏模式及塑性铰发展过程。

Abstract： By ANSYS software， the push-over method was applied to analyze the seismic performance of a high-rise steel frame-supported staggered truss structure system under different lateral load patterns. The failure mode and plasticity hinge developing processing of the high-rise steel structure-supported staggered truss structure system were obtained under rare earthquake.

关键词： 框支交错桁架；ANSYS；push-over分析；破坏模式；塑性铰

Key words： frame-supported staggered truss structure；ANSYS；push-over；failure mode；plastic hinge

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）21-0109-04

0 引言

框支交错桁架结构是一种实用、经济、高效的新型组合钢结构体系。该体系通过转换层把下部的框架结构和上部的交错桁架组合起来，充分发挥交错桁架[1-5]和框架结构的优点[6-9]。由于框支交错桁架在结构性能上的特殊性，既不同于框架结构或框架支撑结构，也不同于纯交错桁架结构，目前对于该新型结构在抗震方面的研究较少。

本文采用静力弹塑性分析方法对框支交错桁架结构进行推覆分析，了解结构各构件承载力之间的相互关系，分析得出结构在强震作用下的破坏机制、各塑性铰的出铰顺序，找到结构薄弱环节，并对比拟动力试验研究[10]成果加以验证。

1 静力弹塑性分析方法

静力弹塑性分析法，也称推覆分析法（Pushover）[11-13]，是目前被广泛应用的一种评估结构抗震性能的简化方法，美国的ATC-40，MA273/274和欧洲的EC3中已将其纳入抗震规范，我国的《建筑抗震设计规范》（GB 50011- 2010）也推荐了该方法。

静力弹塑性分析优点[14-16]在于：能够确定结构在罕遇地震下潜在的破坏机制，找到最先破坏的薄弱环节；相对于弹塑时程分析，可以获得较为稳定的分析结果，减少分析结果的偶然性，同时大大节省了分析时间和工作量。

Pushover分析方法本质[13]是将结构按一定的变形模态转化为等效单质点体系的反应谱分析法。通过对结构施加反应地震作用的静态水平分布力，逐步增加荷载，使结构逐渐进入塑性，直到达到目标位移或接近破坏倒塌为止，从而得到结构的抗震性能以及破坏机理。本文采用4种经典侧向水平加载模式：均匀加载、倒三角形加载、沿高度等效加载和SRSS振型叠加加载模式[17]来分析框支交错桁架结构的破坏模式。

2 实例分析

2.1 实例模型

本文选取设计尺寸、布局具有一定的代表性的15层框支交错桁架拟动力试验模型（国家自然科学基金项目（50878215））为实例。模型共5榀，纵向柱距6m，横向21m。1～2层为框支层，层高4.5m；3层为桁架转换层，4～15层为单纯混合式交错桁架布置形式，层高均为3m，总高48m。全部钢构件使用Q235方钢管，采用全截面焊接连接，楼板混凝土使用C30，1～4层厚200mm，其他层厚150mm。几何尺寸如图1。

2.2 ANSYS有限元推覆分析步骤

2.2.1 定义单元类型

采用beam188模拟钢梁、钢柱及桁架构件，shell63模拟混凝土楼板，合并两个构件相同位置节点的方法实现节点全部刚接。结构阻尼采用经典Rayleigh阻尼，阻尼比为5%[18]。

2.2.2 定义材料特性、实常数和几何建模

钢材选用经典双线性随动强化模型（BKIN），屈服强度为■，弹性模量206000泊松比为v=0.3。

2.2.3 施加荷载

竖向荷载为1.2Ge+0.35Qk，Ge为恒荷载标准值，Qk为活荷载标准值。水平荷载采用El-centro（NS）波换算8度罕遇地震反应谱求得的结构基底剪力乘以不同加载模式下的水平加载系数得到沿结构高度分布的水平荷载。本文中计算所采用的四种加载模式下的各层水平加载系数如表1所示。

2.2.4 定义求解选项（静力弹塑性）

选择NLGEOM，ON，以考虑模型的几何非线性和材料非线性。采用稀疏矩阵直接求解器（Sparse Direct）对联立方程组进行求解。

3 静力弹塑性分析结果

3.1 塑性铰分布

图2为结构在破坏模式下的塑性铰分布。从图中可以看出，结构的塑性铰主要产生在斜腹杆上，其次是框支撑，桁架空腹弦杆上也伴随少量塑性铰。这是由于在横向分布力作用下，结构中剪力主要由斜腹杆和框架支撑承担，随着侧向位移的增加，楼层剪力越来越大，靠近空腹节间位置斜腹杆最先产生塑性铰，并逐渐扩散，最终塑性铰主要集中在4～7层靠近空腹节间位置。由于推覆分析是单向加载方式，结构塑性铰分布不完全对称。

3.2 塑性铰的发展顺序

为研究结构杆件塑性铰的发展顺序以及薄弱杆件承载力之间的相互关系，本文提取SRSS振型叠加加载的推覆模式作用下出现塑性铰杆件的弯矩―顶点位移曲线（塑性变形较大的结构一侧，见图3）。由图可知，位移为0.125m时，在第2、4榀第5、7层的第3节间斜腹杆上首先出现塑性铰，并逐渐发展到第3榀第6层。由于结构体系的空间协调作用，随着侧向位移加大，第1、3、5榀第6层第3节间斜腹杆相继出现塑性铰。位移为0.175m时，结构塑性变形向四周快速发展，第4、8、9层斜腹杆及第2层框支撑相继出现塑性铰。随着结构位移的增大，塑性铰继续发展，产生塑性铰构件的承载力逐渐下降，并随之退出工作，结构出现明显的内力重分布现象，第1层框支撑出现塑性铰，5、7层空腹弦杆出现少量塑性铰。位移为0.225m时，大批腹杆出现塑性变形，主要集中在4-7层，最后塑性铰出现在柱脚，结构开始失稳并发生整体破坏。

由各屈曲杆件弯矩―顶层位移图可知，杆件屈曲呈现分批现象，内力重分布明显。塑性铰主要分布在第三节间斜腹杆上，说明第三节间斜腹杆是主要耗能构件；边侧斜腹杆出现的塑性铰较少，且承受极限弯矩值是靠近空腹节间斜腹杆弯矩值得1/2左右，说明边侧斜腹杆承载力未充分发挥；第二层框架支撑弯矩值是斜腹杆弯矩承载力的2倍左右，设计时要注重底部框架支撑的承载力及耗能设计。

3.3 Pushover分析结果

为验证本文Pushover法的结果可靠性，选用文献[10]中使结构进入破坏阶段的>9度罕遇地震作用拟动力试验所得等效顶点力与顶层位移的滞回曲线的包络值作对比。从图4中可以看出，本文所采用的4种Pushover曲线与文献基底剪力―顶层位移曲线拟合均较好，其中均匀加载模式下相差最大，以SRSS振型叠加加载下曲线为准，该加载模式作用下基底剪力值为较文献[10]大17%。这是由于有限元模型边界条件、材料性能以及试验方法与试验模型存在一定差异，导致理论模型刚度较实验模型刚度偏高，从而基底剪力较大，位移较小，但仍然说明本文Pushover结果可靠度较高。

对SRSS组合加载模式下的顶点位移与底部总剪力的关系曲线作分析，顶层位移达到0.165m之前，结构整体处于弹性阶段，局部构件出现塑性铰；之后，结构进入整体屈服阶段，塑性铰主要出现在靠近空腹节间的斜腹杆上；顶层位移达到0.175m时，第2层框支撑逐渐进入屈服状态，塑性变形快速发展，结构处于整体屈服继续发展状态；随着第1层框支撑出现塑性铰，结构接近承载力极限状态，柱脚节点进入塑性变形工作状态，结构开始失稳并进入整体破坏阶段。

图5、6给出了结构在SRSS组合加载模式下的楼层极限位移和极限层间位移角。结构横向极限状态下最大层间位移角发生在第5层，为1/111，同时第7层层间位移角也较大，最大为1/114；文献[10]中>9度拟动力罕遇地震最大层间位移角发生在第7层，为1/88，第5层层间位移角为1/90，最大层间位移角发生在第7层是因为试验中力直接加载在第7层上。从图中看出，结构下部横向位移偏大，并且第3层位移角有明显回缩突变，变形曲线均为剪切变形。说明结构沿高度方向侧向刚度分布不均匀，设计时应重视转换层引起的刚度突变对结构的受力影响。

综上，结构薄弱层为5、7层，靠近空腹节间斜腹杆和框架支撑为薄弱构件。塑性铰发展顺序为：桁架5、7层斜腹杆―桁架弦杆空腹节间―框支撑―柱脚，柱中未出现塑性铰，破坏机理属于梁铰机制，满足“强柱弱梁”的抗震要求。

4 结论

①由于结构的剪力主要由斜杆承受，因此塑性铰集中出现在4-7层靠近空腹节间的斜腹杆上，下部框支撑上，弦杆上出现少量塑性铰，柱中无塑性铰出现。在合理设计条件下，利用部分构件塑性变形耗散地震能量，满足多道防线的破坏机制。

②框支交错桁架结构侧向刚度较大，但存在刚度突变，最大层间位移角出现在第5、7层，在实际应用中，可以增多桁架榀数，从而减小转换层带来的刚度突变及其交错布置所带来的刚度不均匀。

③在罕遇地震荷载作用下，构件的塑性铰发展不同于纯交错桁架由下而上的发展趋势[19-21]，而是从第5、7层中部斜腹杆开始向四周扩散，塑性铰发展顺序为：靠近空腹节间斜腹杆―弦杆―框支撑―柱脚，其破坏机理属于梁铰机制。结构薄弱层为5、7层及底部框架层。

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