多高层钢结构抗侧性能静动力分析

摘要：本文通过建立钢框架和钢框架支撑两种模型，从平面模型和三维模型两个方面出发，采用SAP2000软件分析了两种结构体系的抗侧性能。计算分析表明，钢框架支撑结构的抗侧刚度比钢框架结构大，采取适当的支撑可以有效减小结构的侧移量、基底剪力和自振周期。

关键词: 支撑； 抗侧性能 ；侧移量； 基底剪力

Abstract: in this paper, through the establishment of steel frame and steel frame support two kinds of models, starting from the two aspects of plane model and three-dimensional model, lateral resistant performance of two kinds of structure system is analyzed by SAP2000 software. Calculation and analysis show that, steel braced frame lateral stiffness ratio of steel frame structure, take appropriate support can effectively reduce the amount of lateral structure, base shear and vibration period.

Keywords: support; lateral resistance; lateral shift; base shear

中图分类号： TU391 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）

引言

当前的高层刚结构中，其抗震性能比较好，但是钢框架结构应用到多高层钢结构结构体系，它的抗震性能又有什么特点，支撑对小高层钢框架结构的抗震性能有什么具体的影响。本文结合相关的论文，对这些问题进行了探讨。

1 平面模型

1.1平面模型的建立

平面模型采用SAP2000中的连接支座单元进行建模，采用六层框架结构，三跨，每跨4米，每层高3米，下段柱固定支座。分别建立钢框架平面模型和钢框架支撑平面框架模型，进行静力和反应谱分析，最后进行对比，分析支撑对钢框架结构的影响。

为分析方便，将每一层的第二列的节点定义1000kg 的质量，以供进行模态分析和反应谱分析。

表1 框架体系主要构件表

1.2结构的静力对比分析

将一个集中作用力10kN作用于结构的顶层，观察两结构的位移情况。

这个分析是最基本的分析，很明显刚框架 表2 框架抗侧刚度

支撑结构的层位移减小了许多，说明其加了支

撑之后刚度增大了，体现了刚框架支撑的抗侧

刚度与钢框架结构的抗侧刚度的大小差别。

1.3 模态分析

通过模态分析可以了解结构的各个振型其对应的表3 框架自振周期比较单位：s

自振周期，是反应谱法和时程分析法的前期工作。SAP2000计算得出平面模型的自振周期如表3所示，从表中可以得出结论：随着结构的自振周期减小，抗侧刚度增加。刚度与周期成反比。很明显，钢框架支撑的基本周期要比钢框架的基本周期小。

1.4反应谱法对比分析

使用SAP2000的反应谱法对两个结构进行分析，基本地震信息按照此：7度区0.1g，

地震分组第二组，场地类型二类。查抗震规范，当前的水平地震影响系数最大值为0.08，特征值周期Tg为0.35s，结构的阻尼比为0.05。计算得出框架楼层最大水平位移如图2，层间位移如图3所示。

从图中可以得出：

(1)由图2，钢框架支撑的最大水平位移明显小于钢框架的最大水平位移，说明有支撑能够提高钢框架的抗侧刚度，至于提高多少，依赖于选取的支撑构件的轴向抗拉抗压刚度。

(2)钢框架结构的最大层间位移位于第 4层，钢框架支撑结构的最大层间位移位于第二层。由图3，层间位移明显减小，说明支撑起到了效果，通过增加抗侧支撑，增加了侧向刚度可以提高结构的整体的稳定和整体的抗侧移能力。

2 三维模型

2.1 模型的建立

建立一个三维空间有限元分析模型，利用有限元分析软件SAP2000分析钢框架和钢框架支撑两种结构体系在动荷载作用下的时程分析。在建立整体有限元分析模型时候，把单元视为连续均匀的材料，梁单元和壳单元均被认为是具有线弹性性质的材料。所有节点视为刚性节点且底柱与地面视为固结。

(1)模型介绍。本模型为11层钢框架结构，层高3米，平面矩形。轴线长44米，宽16米。材料密度按照程序默认的。钢框架支撑结构、钢框架结构模型见图4、图5，框架构件信息见表4.

表4 框架体系主要构件表（mm）

(2)算例分析条件。本算例主要进行7度区设计基本加速度值为0.1g、0.15g和8度区的0.2g地震作用下的线性时程分析（仅作用Y方向的加速度）。场地类别为二类。

2.2 计算结果

对两种模型进行三种地震情形下的线性时程分析， 表5 框架自振周期比较单位：s

根据得到的结构基底剪力、结构的层间位移分析

结果来进行两种结构体系的抗震性能分析。

结构的周期对比分析

与平面模型的情形一样，增加了支撑之后结构的

周期降低，说明刚度增加了。具体基本周期降低多少，与支撑的截面相关。表6 最大基

（2） 结构的基底剪力对比分析

两种模型的最大基底剪力及轴力值见表6. 由表看出，同一种地震作用下，钢框架支撑结构的基底剪力比钢框架结构的基底剪力小，此现象可以大概从反应谱曲线分析，一般地震影响系数会处在下降段，当增加结构的刚度后，所有振型的周期会变小，按照反应谱曲线，地震影响系数会增大，结构的剪力会增大，但是由于支撑结构分担一部分的剪力，使得柱子的剪力变小。结构基底轴力增加量是非常大的。

（3）两种模型结构的层位移分析比较

选取7度0.1g 地震形式作用下两种模型产生的地震响应，画出层最大位移图和层间位移图，将两种框架结构进行对比，见图6、图7.

1）观察图6，钢框架的层最大位移比钢框架支撑结构的层最大位移偏大，说明其抗侧刚度较小，说明钢框架支撑结构通过增加支撑提高了抗侧刚度。

2）观察图7，发现钢框架结构的第二层的层间位移最大，说明第二层的抗侧刚度最小，需要增加抗侧刚度，增加钢柱的截面或者采取其他措施来增加刚度。同时，可以看出钢框架支撑结构的层间位移图是一条平滑曲线，说明其抗侧刚度是合适的，没有出现局部的抗侧刚度不足。

将三种地震作用下的两种模型的地震响应，进行统计，画出了层最大位移图和层间位移图，将两种框架结构进行对比，见图8、图9.

1）比较三种地震作用相应，对于同一种结构体系，进行三种工况的时程分析时，加速度越大，产生的最大响应越大。

2）对于同一种地震工况，两个体系的对比，钢框架支撑结构的位移总会偏小，因为其抗侧刚度是较大的。

3结论

文章是通过有限元软件对钢框架和刚框架支撑结构进行的静动力对比分析，验证了钢框架支撑结构的抗侧刚度比钢框架结构大，周期比其小的理论。

对后来的研究工作有帮助的地方在于，进行抗侧体系的研究的时候，可以改变支撑的形式，加支撑的位置，支撑的固结铰接形式，以及通过支撑的具体形式分析对结构抗侧刚度的具体影响。

参考文献：

[1]王孟鸿. 钢结构非线性分析与动力稳定性研究[M]，中国建筑工业出版社，2011

[2]闫冬.SAP2000结构工程分析及实例详解[M]，中国建筑工业出版社，2009

[3]彭俊生，罗永坤，彭地. 结构动力学、抗震计算与SAP2000应用[M]，西南交大出版社，2007