V形支撑钢框架结构弹塑性受力性能研究

摘 要：支撑钢框架结构具有侧向刚度大，延性好，自重轻，结构布置灵活，抗震性能好，施工快等优点，已经成为近年来多高层建筑结构发展的一大趋势。本文建立了一个六层，一个九层的三跨支撑钢框架结构模型，运用静力弹塑性分析方法对V形支撑钢框架结构的抗震性能进行了研究。以八度罕遇地震情况下，结构的性能点处结构的顶层最大位移与最大层间角位移为参数，分析结构在地震作用下可能的薄弱层和薄弱构件及破坏情况。

关键词：支撑钢框架；静力弹塑性分析；抗震性能

Sensor The Elastic-Plastic Stress Analysis Of Steel Structure With V-braced Steel Frames

MA Zheng-wei 1

(1 Xi'an University of Science And Technology, College of architecture and civil engineering Xi'an 710054, China )

Abstract: The braced steel frame structures with lateral stiffness, good ductility, light weight, flexible structure, good anti-seismic performance, has become a trend of the development of high-rise buildings in recent years. This paper established a six layer, a nine layer of the three cross braced steel frame structure model, and uses static pushover elastic-plastic method to analyze of steel Structure with v-braced steel frames behavior of the seismic performance. In eight degree earthquake cases, the maximum displacement of the top structure of the angular displacement at performance point of the structure and the maximum interlayer parameters.

Key words: Braced steel frame; Pushover analysis ; Seismic Performance

中图分类号：TU74

基于性能的设计方法提出，使弹塑性分析地震反应方法得到地震工程界的广泛关注。静力弹塑性分析方法即推覆(Pushover)分析方法因简便、实用性强，但同时可以获得结构弹塑性状态下的强度和变形要求，找出结构的薄弱环节等诸多优点而逐渐被认为是基于性能设计中的一个重要工具。本文对6层、9层支撑钢框架进行了静力弹塑性分析。汪梦甫[1]在比较了均匀分布，倒三角分布和幂级数分布的比较结果后指出：在建筑中间楼层部位，几种荷载模式的差别不是很大，幂级数分布在建筑顶部较倒三角分布增加20%一40%,是符合我国抗震规范的精神，但是其底部侧向力过小是缺乏依据的，所以建议了采用底部倒三角加载模式和顶部幂级数加载模式；Lew[2]对一幢7层钢框架结构进行了非线性静力分析(NSP)和非线性动力分析(NDP)，发现NSP估计的构件的变形与NDP多条波计算结果的平均值大致相同。Peter[3]对9层钢框架结构的弹塑性时程分析结果与Pushover方法分析结果进行了对比，认为无论是框架结构还是框剪结构，两种方法计算的结构最大位移和层间位移均很一致。

1 结构的静力弹塑性分析

1.1 有限元模型

图1.1 6层（9层）支撑框架平面图和立面图

本模型的地震设防烈度为8度，设计基本加速度0.20g，Ⅱ类场地土条件，按照第二组地震设计分组取场地特征周期为Tg=0.40s，结构的阻尼比取为ξ=0.05，楼屋面恒荷载3.5KN/m2，楼面活荷载2.0kN/m2，屋面活荷载2.0KN/m2（上人屋面），隔墙采用蒸压粉煤灰加气混凝土砌块，线荷载取4KN/m，基本风压0.3KN/m2，雪荷载0.4KN/m2，采用Q235钢材。

1.2 静力弹塑性分析

本文选取两种侧向加载模式：均匀分布加载模式；倒三角分布加载模式。

（1）两种加载模式结构荷载–位移曲线对比

（a）6层框架 （b）9层框架

图1.2两种加载模式结构荷载–位移曲线对比图

通过对比可以发现：6层结构在两种不同侧向加载模式下得到的荷载–位移曲线比较接近，倒三角分布加载模式下的顶点位移最大值比均匀分布加载模式大0.58%，均匀分布加载模式下的基底最大剪力值比倒三角分布加载模式大15.1%；9层结构在两种不同侧向加载模式下得到的荷载–位移曲线区别比较明显，倒三角分布加载模式下的顶点位移最大值比均匀分布加载模式大57.3%，均匀分布加载模式下的基底最大剪力值比倒三角分布加载模式大20.8%；中心支撑钢框架在均匀分布加载模式作用下，结构的基底剪力最大值偏大一些，而对应的顶点位移最大值却相对较小。

（2）八度罕遇地震下性能点处指标对比

图1.3 6层框架层最大侧向位移图和层间最大位移角图

图1.4 9层框架层最大侧向位移图和层间最大位移角图

在罕遇地震时结构处于弹塑性阶段，6层结构最大层间位移角出现在结构第2层，9层结构最大层间位移角出现在第4层；两种侧向加载模式在多遇地震时对结构变形影响较大，在罕遇地震时对结构变形影响较小。

（3）八度罕遇地震下塑性铰的发展规律

（a）均布荷载模式（b）倒三角荷载模式

图1.5 6层框架在性能点时的塑性铰分布

在图1.5中可以看到，罕遇地震性能点处下6层结构在处支撑上出现了大量塑性铰，而梁和柱子都没有出现塑性铰。均布荷载模式下，结构在1～4层支撑均出现了塑性铰，并且大部分塑性铰处在极限承载力状态；倒三角荷载模式，结构在1~5层支撑都出现了塑性铰，并且1～4层的塑性铰都处在极限承载力状态，1层支撑的塑性铰处在直接使用状态；在罕遇地震中，框架支撑作为第一道防线起到了很好的抗震作用，从而保证了整个结构在地震中不会出现严重破坏或倒塌现象，做到了“大震不倒”设防要求。

（a）均布荷载模式（b）倒三角荷载模式

图1.6 9层框架在性能点时的塑性铰分布

在图1.6中可以看到，9层结构在罕遇地震性能点处支撑上出现了大量塑性铰，而梁和柱子都没有出现塑性铰；均布荷载模式下，结构在1～6层支撑均出现了塑性铰，并且大部分塑性铰处在极限承载力状态；倒三角荷载模式，结构在1~7层支撑都出现了塑性铰，并且2～6层的塑性铰都处在极限承载力状态，1层支撑的塑性铰处在直接使用状态；说明在罕遇地震情况下，框架支撑作为第一道防线起到了良好的抗震作用，从而保证了整个结构在地震中做到了“大震不倒”设防要求。

3 结论

本文以V形中心支撑钢框架结构体系为基本模型，利用静力 Pushover 分析法对一个6层和一个9层V形中心支撑框架结构在多遇地震和罕遇地震作用下的抗震性能进行了研究，得出了以下结论：

（1）利用静力 Pushover 分析法对两个结构模型进行分析得出：支撑是结构的第一道抗震防线，首先出现塑性铰，梁先于柱出现塑性铰；罕遇地震时结构处于弹塑性受力阶段，符合抗震设计规范要求的“小震不坏、中震可修、大震不倒”三个设防水准，此外，梁先于柱出现塑性铰说明结构符合“强柱弱梁”的抗震设计原则。

(2)从Pushover分析结果中可以看出，对于规则的框架结构，两种以位移控制的侧向加载模式得到的顶点位移和基底剪力曲线基本一致。均布加载模式下的得到的结构极限底部剪力偏大，而对应状态下的顶点位移偏小。在罕遇地震情况下性能点处，6层结构顶点最大位移最大值比最小值大7.1%，9层结构顶点最大位移最大值比最小值大8.0%，两种加载模式差别不大。

(4)从性能点处结构塑性铰分布特点可以看出，规则框架的塑性铰在结构的一侧发展较多，这是因为Pushover分析方法只向一个方向加载，没有产生地震的双向来回震动，因此对于规则的结构，建议按照对称原则考虑结构薄弱部位，在设计时候予以加强。

参考文献：

[1] 汪梦甫,周锡元.关于结构静力弹塑性分析方法中的几个问题.结构工程师,2002

[2]Trevor EKelly Analysis Procedures forPerformance Based Design（CD）.12th World Conference on Earthquake Engineering, Paper No.2400,2000

[3] Kaspar Peter.Application of the Capacity Spectrum Method to R.C.Buildings with Bearingwalls（CD）.12th World Conference On Earthquake Engineering, Paper No.0609,2000

[4] 邓军，唐家样．时程分析法输入地震记录的选择与示例．工业建筑，2000，30（8）

[5] 陈振中，刘爱东．工程场地设计地震波选择实例,勘察科学技术，1995

[6] 中华人民共和国国家标准．建筑抗震设计规范，GB50011-2010，北京：中国建筑工业出版社，2010

[7] SAP2000中文版使用指南/北京金土木软件公司编著—2版．北京：人民交通出版社，208.1