鋼骨-鋼管混凝土框架結構抗震性能比較

譚燕秋,韓旭飛,史三元,張宏磊

(1.河北工程大學 土木工程學院,河北邯鄲 056038;2.中國新興保信建設總公司,北京 100079)

鋼骨-鋼管混凝土結構是在鋼管混凝土結構中置入鋼骨而形成的一種新型結構形式[1-2],通過鋼管、鋼骨和混凝土三者協同工作可提高構件的承載力、延性及耐火性,減小構件截面尺寸,增加建筑物使用空間。目前,國內外對鋼骨-鋼管混凝土抗震性能的研究還主要集中在基本構件方面[3-7],對組合框架整體結構抗震性研究尚不完善[8-11]。本文采用SAP2000有限元分析軟件對2棟8層鋼骨-鋼管混凝土框架結構和鋼管混凝土框架結構進行了模態分析,并對2類結構在不同地震波作用下的位移和加速度進行比較,為該類結構抗震設計提供參考。

1 動力彈塑性時程分析

彈塑性時程分析法是將結構視為彈塑性振動體系,直接按照地震波數據輸入地面運動,通過相應積分方式求得結構在每一時刻的動力響應。時程分析的積分方式有多種,本文采用HHT積分法。

多高層建筑在水平地震作用下,產生的平面振動微分方程為

式中[M] —質量矩陣;[K] —結構抗側剛度矩陣;[C] —阻尼矩陣。

2 模型分析

2.1 建立

建立二維平面框架結構模型,并利用SAP2000有限元分析軟件分別對鋼骨-鋼管混凝土框架結構和鋼管混凝土框架結構進行動力特性分析和動力響應分析。

分析模型為8層鋼骨-鋼管混凝土框架結構和鋼管混凝土框架結構(如圖1所示),模型層高3 m,柱距8 m,鋼梁截面采用H600 mm×300 mm×14 mm×23 mm,鋼材為Q345。鋼骨-鋼管混凝土柱截面為400 mm×400 mm,鋼材為Q345,混凝土強度等級為C40,鋼管壁厚20 mm,鋼骨為H300 mm×300 mm×12 mm×12 mm;鋼管混凝土柱截面為400 mm×400mm,鋼材為Q345,混凝土強度等級為C40,鋼管壁厚20 mm。在SAP2000中,框架梁柱構件由桿單元模擬。該結構按8度抗震設防,場地類別為Ⅱ類,設計地震分組為第二組,場地特征周期為0.40 s,設計基本地震加速度為0.20g。分析2類結構在多種地震波作用下的地震反應。

2.2 動力特性分析

表1給出了鋼骨-鋼管混凝土框架結構與鋼管混凝土框架結構的前10階自振周期。可以看出,鋼骨-鋼管混凝土框架結構的自振周期明顯小于鋼管混凝土框架結構,剛度較鋼管混凝土結構有所增加,故在建筑結構中構件截面尺寸一定的情況下,較鋼管混凝土結構,鋼骨-鋼管混凝土結構可使構件剛度更大,抗震性更好。

表1 結構的前10階自振周期Tab.1 Top 10 order nature periods of the structures s

表2 兩類結構的地震反應層間位移最大值Tab.2 Maximum displacements of two kinds of structures mm

2.3 結構地震響應分析

1)位移分析。表2給出了在不同地震波作用下兩類結構的地震反應層間位移最大值?？梢钥闯?鋼骨-鋼管混凝土結構和鋼管混凝土結構在不同地震波作用下,層間位移值均出現在頂層,但鋼骨-鋼管混凝土結構的層間位移均小于鋼管混凝土結構,在El Centro波、蘭州波、唐山波作用下,頂層的層間最大位移角分別為 l/19 600、1/42 692、1/17 773,鋼管混凝土結構頂層的層間位移最大值分別為 1/15 959、1/42 070、1/8 850,均未超過規范的層間位移限值1/550,但鋼骨-鋼管混凝土結構頂層的層間最大位移角明顯小于鋼管混凝土結構。從上面的分析,鋼骨-鋼管混凝土結構由于剛度較大且剛度退化速度小,對地震的響應弱于鋼管混凝土結構,即抗震性能優于鋼管混凝土結構。

2)加速度分析。兩類結構頂層在3種地震波作用下的加速度時程曲線如圖3所示。由計算結果知,El Centro波作用下鋼骨-鋼管混凝土結構頂層的最大絕對加速度為1.904 m/s2,鋼管混凝土結構頂層的最大絕對加速度為1.961 m/s2;蘭州波作用下鋼骨-鋼管混凝土結構頂層的最大絕對加速度為0.697 m/s2,鋼管混凝土結構頂層的最大絕對加速度為1.126 m/s2;唐山波作用下鋼骨-鋼管混凝土結構頂層的最大絕對加速度為2.175 m/s2,鋼管混凝土結構頂層的最大絕對加速度為2.474 m/s2。由此可知,在3種地震波作用下,鋼骨-鋼管混凝土結構的水平向加速度峰值均比鋼管混凝土結構的加速度峰值有所降低。

3)基底剪力分析。表3給出了2類結構在不同地震波作用下基底剪力最大值。

表3 兩類結構基底剪力最大值Tab.3 Maximum shear force of the bottom of two kinds of structures N

由表3可知,鋼骨-鋼管混凝土結構在不同地震波作用下的基底剪力最大值均小于鋼管混凝土結構,說明其剛度退化速度慢于鋼管混凝土結構,對地震的遲滯作用好于鋼管混凝土結構。

3 結論

1)鋼骨-鋼管混凝土框架結構在不同地震波作用下的層間位移最大值、頂層的最大層間位移角均比鋼管混凝土框架結構小,說明鋼骨-鋼管混凝土框架抵抗水平地震作用的能力優于鋼管混凝土框架。

2)從2類結構頂層的加速度時程曲線來看,鋼骨-鋼管混凝土結構對地震的響應要弱于鋼管混凝土結構,說明其抗震性能更好。

3)在不同地震波作用下鋼骨-鋼管混凝土框架的基底剪力最大值小于鋼管混凝土框架,說明鋼骨-鋼管混凝土結構對地震的遲滯作用好于鋼管混凝土結構。

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