限制屈曲支撐布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響*

董作超 王洪嶺

0 引言

在建筑鋼結(jié)構(gòu)中,合理的支撐布置形式,不僅可以提高結(jié)構(gòu)剛度,控制結(jié)構(gòu)側(cè)移,還可以最大程度地減小支撐對(duì)柱引起的附加內(nèi)力的影響。總的來(lái)說(shuō),傳力直接、明確的支撐體系,其抗側(cè)移剛度要明顯好于其他支撐體系[1]。本文通過(guò)改變限制屈曲支撐的布置方式,來(lái)探討其對(duì)框架抗震性能的影響規(guī)律。

1 計(jì)算模型

對(duì)6層、24層結(jié)構(gòu)的12種不同布置形式進(jìn)行對(duì)比分析,僅給出6層結(jié)構(gòu)支撐布置圖。

支撐的不同布置形式如圖1所示,模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸如表1所示。各模型的支撐數(shù)量與構(gòu)件的尺寸均相同。

表1 模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸

X向跨度取為8 m,Y向跨度取為6 m,Y向?yàn)檫吙?層高5 m。

豎向荷載:結(jié)構(gòu)自重、樓面恒載:8.0 kN/m2。樓面活荷載取為2.0 kN/m2。抗震設(shè)防烈度取為8度,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,屬于Ⅱ場(chǎng)地。

地震影響系數(shù)曲線最大值采用0.16,阻尼比按規(guī)范規(guī)定選取,時(shí)程分析[2]所用地震加速度時(shí)程曲線的最大加速度幅值在罕遇地震下取為400 gal。

單元材料:框架梁柱為 Q345,支撐Q235,泊松比均為0.3。

ANSYS有限元模型:采用Beam188三維桿件有限元模型。

從支撐的布置位置分為如下幾類:

1)支撐布置于第1,3,4,6跨,即為布置于框架的邊跨和中間垮(如圖1中a)和 f)所示);2)支撐布置于第2,3,4,5跨,即為集中布置于框架的中間跨(如圖 1中d),e),h),k),l)所示);3)支撐布置于第1,2,5,6跨,即為布置于框架的邊跨(如圖1中b),c),g)所示);4)每跨均有支撐,側(cè)重于中間垮(如圖1中i)和j)所示)。

設(shè)單根支撐的長(zhǎng)度為l(即每層每跨的對(duì)角線長(zhǎng)度),則可按結(jié)構(gòu)支撐的通長(zhǎng)將框架劃分為如下幾類:

1)全部由通長(zhǎng)為 l的支撐組成(如圖1中a),c),d)所示);2)由通長(zhǎng)為 l和 2l的支撐組成(如圖1f)所示);3)全部由通長(zhǎng)為2l的支撐組成(如圖1中b),e),g),h)所示);4)由通長(zhǎng)為 l,2l和3l的支撐組成(如圖1中k),l)所示);5)由通長(zhǎng)為2l和4l的支撐組成(如圖1i)所示);6)由通長(zhǎng)為2l,4l和6l的支撐組成(如圖 1j)所示)。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 模態(tài)分析

這里僅給出24層結(jié)構(gòu)圖1a)和圖1j)的前五階振型[3](其他與此相似),如圖2所示。

由(圖1a)～1l))12種不同支撐布置框架支撐結(jié)構(gòu)模型的一階頻率[4]說(shuō)明:1)就支撐布置位置而言,三種層高下 i)和 j)布置的一階頻率最大,即每跨均有支撐,側(cè)重于中間跨的第4)種情況,一階固有頻率最大,其次為集中布置于框架的中間跨的第2)種情況,即圖1h),1d),1e),1k),1l),布置于框架的邊跨和中間跨的第1)種情況(圖1a),1f))和布置于框架邊跨的第3)種情況(圖1b),1c),1g))結(jié)果相差不大,都小于前兩者。2)對(duì)支撐布置形式來(lái)說(shuō),隨著支撐桿件通長(zhǎng)的增加,結(jié)構(gòu)的一階頻率也有一定程度的增加,尤其以第5)、第6)種情況最為突出。3)對(duì)比還可以發(fā)現(xiàn),支撐十字交叉的布置形式要比方向一致布置的一階頻率大。

2.2 振型分解反應(yīng)譜分析

由模態(tài)分析可得出結(jié)構(gòu)的振型和頻率,前幾階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)貢獻(xiàn)最大。故在進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜法對(duì)12種不同支撐布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析時(shí),對(duì)振型參與系數(shù)[5]的計(jì)算一般取前幾階振型。最后得出結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)如圖3～圖6所示。

從圖3～圖6樓層位移曲線和層間側(cè)移轉(zhuǎn)角可以看出:

1)隨著層數(shù)的增加,限制屈曲支撐布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)的影響越為明顯;6層結(jié)構(gòu)其變化所產(chǎn)生的影響區(qū)別并不大,而24層結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)有明顯的差別。其規(guī)律可歸納為:限制屈曲支撐布置于框架的邊跨和中間跨的第1)種類型(圖1a),1f))和布置于框架邊跨的第3)種情況(圖1b),1c),1g))結(jié)果各層位移及樓層側(cè)移轉(zhuǎn)角最大,對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)變形為彎曲形變形;而支撐集中布置于框架的中間跨的第2)種類型(圖1中h),d),e),k),l)),結(jié)構(gòu)變形為彎剪型;布置位置為每跨均有支撐,側(cè)重于中間跨的第4)種類型,這種布置能更好的控制樓層位移和樓層側(cè)移轉(zhuǎn)角,其結(jié)構(gòu)變形為剪切型,這種布置在高層結(jié)構(gòu)中支撐布置位置所起的作用更為突出。

2)對(duì)于多層結(jié)構(gòu),最大層間側(cè)移轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)下部出現(xiàn)較大值,而高層結(jié)構(gòu)層間最大側(cè)移轉(zhuǎn)角一般出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的中上部位。

3)從支撐布置形式角度來(lái)說(shuō),隨著支撐桿件通長(zhǎng)的增加,結(jié)構(gòu)的樓層位移和層間側(cè)移轉(zhuǎn)角都有所減小,尤其以第5)、第6)種情況最明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)支撐形式進(jìn)行分類,對(duì)比各種類型支撐布置形式對(duì)限制屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,得出以下結(jié)論:在支撐桿件總用鋼量及規(guī)格均相同的情況下,有利于抗震要求[6]的布置位置依次為:每跨均布置支撐且側(cè)重于中間跨布置的支撐布置位置最有利于結(jié)構(gòu)抗震,其次是集中布置限制屈曲支撐于中間跨,對(duì)支撐布置形式來(lái)說(shuō),隨著支撐桿件通長(zhǎng)的增加,結(jié)構(gòu)的抗震性能提高。

[1]周學(xué)軍,陳 魯,曲 慧.多、高層鋼結(jié)構(gòu)支撐的布置方式對(duì)框架側(cè)向剛度的影響[J].鋼結(jié)構(gòu),2003,18(4):51-54.

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