某小高層鋼結構住宅的抗震性能分析

王濤

【摘 要】 本文以某小高層鋼結構住宅為例，利用SAP2000軟件，對三種不同的結構形式：框架結構、框架—剪力墻結構和框架—支撐結構，進行抗震性能分析，主要包括模態分析、反應譜分析和基于pushover方法的分析。根據計算結果，對三種不同的結構形式抗震性能進行比較。

【關鍵詞】 小高層 鋼結構 住宅 抗震性能

1、緒論

目前，我國對于小高層鋼結構還沒有明確的定義，一般認為24m以上的建筑為高層建筑，在鋼結構形式的住宅當中，認為結構的建筑高度超過24m，低于50m，而且結構的層數大于7層的建筑為小高層建筑。高層鋼結構住宅具有良好的經濟效益，尤其是采用標準化生產的方式，可以更好的節約成本，提高效益，但是目前，對多高層鋼結構住宅的研究較為廣泛和深入，對小高層鋼結構住宅的抗震性能分析不足，制約其發展和推廣。

本文以某住宅項目為例，綜合比較純框架、框架—剪力墻和框架—支撐三種結構形式在8度的地震作用下的響應，比較分析結構形式的特點。

2、工程概況

本工程的軸線長度為38.4米，寬度為16.2米，主體結構的高度為40.5米，建筑的總高度為41.6米，共十一層，建筑的高寬比是2.49，小于8度抗震設計的限值（6.0），工程的建筑面積是6491平方米。結構的建筑場地類型為Ⅱ類，8度抗震要求，結構設計地震分組為第三組。在結構的抗震分析計算當中，假定柱和基礎為剛性連接，主梁和柱為雙向剛性連接，支撐及次梁為鉸接連接。結構的平面布置如下圖1所示。

2.1 荷載

結構的樓面恒荷載根據建筑材料的自重進行統計計算，活荷載取值為2.0kN/m2，在軟件計算當中為模擬隔斷墻的自重，在主梁上施加2.5kN/m的恒荷載，屋面的恒荷載和活荷載取值為0.5kN/m2。

2.2 結構形式和材料屬性

本次計算分析三種鋼結構形式，分別為框架結構、框架—剪力墻結構和框架—支撐結構，各個結構形式的結構布置和材料如下。

框架結構、框架—剪力墻結構及框架—支撐結構的主梁、次梁和主柱均采用Q345鋼。主梁的截面尺寸為H400mm×200mm×8mm×13mm，次梁的截面尺寸為H350mm×200mm×8mm×10mm，主柱的截面尺寸為H350mm×350mm×18mm。樓板采用C20混凝土，HRB235鋼筋，樓板厚度均為100mm。剪力墻采用C30混凝土，HRB235鋼筋，剪力墻的厚度為200mm。支撐的截面尺寸為H150mm×150mm×7mm×10mm，主柱的截面尺寸為H350mm×350mm×18mm。樓板采用C20混凝土，HRB235鋼筋。

3、計算結果

本次計算利用SAP2000對結構先后進行模態分析，反應譜分析和基于pushover方法的計算分析，在建模計算的過程中，為了保證露面荷載能夠順利的傳遞，使用面截面膜單元進行建模，假定Z軸的約束是剛性。

3.1 結構的模態分析

模態分析計算結果提取結構的動力特征值主要包括：結構的固有頻率、振型和周期。計算結果表明動荷載作用下，該鋼結構住宅的低階振型是控制作用的振型，對于結構的內力和位移的貢獻比較大。因此取結構前三階的振型進行分析，忽略高階振型對結構的影響。各個結構形式的前三階模態分析數據如下表1。

由計算結果可知，框架結構的周期較大，周期下降的速度較慢，振型剛度較小，質量參與系數的密度較大；框架—剪力墻結構的剛度最大，周期下降的速度最快，振興的特征也十分明顯，扭矩出現的比較早，這是因為剪力墻集中布置在電梯井周圍的原因；框架—支撐結構的周期最小，周期下降的速度緩慢，結構的剛度較大，質量參與系數比較分散。總的來說，通過模態分析的計算結果和理論推斷的結果相比較，可以判斷出模型建立的正確性，值得注意的是框架—剪力墻結構的扭矩出現較早，說明剪力墻布置不夠合理，在結果中有所體現。

3.2 結構的反應譜分析

根據《建筑結構抗震設計規范》的規定，多遇地震作用下地震的影響系數取為0.16，結構的阻尼比取為0.035，場地的特征周期取為0.45s，分別對三種結構形式進行X和Y方向的地震反應譜計算分析，其中列出x方向的計算結果見表1。

由計算結果可以看出，8度地震作用下，支撐及剪力墻對柱底剪力的分擔效果十分明顯，柱底部剪力和框架結構相比明顯減小，說明框架結構和另外兩種結構相比抗側移能力較差，X和Y方向的頂點位移和最大層間位移都很大；框架—支撐結構的支撐分散布置，在增加結構剛度額同時沒有給柱子增加很明顯的豎向承載力，剪重比數值較小，在罕遇地震非線性分析中考慮結構自重的二階效應很有必要.

3.3 基于pushover方法的分析

對框架結構和框架—支撐結構進行罕遇地震作用下基于pushover方法的分析，由于SAP2000對框架—剪力墻結構不能直接進行pushover分析，因此，在這里不再進行討論。采用X和Y方向單獨推覆，收集代表性的推覆步和剖面進行觀察和比較，截取x方向計算結果見下圖2至圖3。

由計算結果可知，框架結構在X和Y方向的塑性鉸都是首先出現在梁上，這符合對結構強柱弱梁設計的分析。框架—支撐結構的支撐上最先出現塑性鉸，消耗地震能量，增加了結構的整體延性。

框架結構的性能點在X方向的位移為313mm，在Y方向的位移為302mm，框架—支撐結構的性能點在X方向的位移為225mm，在Y方向的位移為201mm。框架—支撐結構在罕遇地震作用下控制結構位移的能力更加優越。

4、結論

本文通過對某十一層鋼結構住宅框架結構、框架—剪力墻結構和框架—支撐結構在8度地區的地震作用計算分析，得出如下結論：

（1）不同的結構形式在地震作用下，結構自身的振型、周期、剛度相差較大，從而影響結構的受力，框架結構的周期較大，地震作用下結構的側移較大，在小高層結構當中適當布置支撐和剪力墻能夠較好的控制結構的側移。

（2）框架—支撐結構在地震作用下的抗側移能力較強，但是結構自身的支撐在地震作用下易出現塑性鉸，可以利用這一點布置防屈曲支撐來消耗地震作用的能量。

（3）框架—剪力墻結構的層間位移和層間位移角沿高度方向變化很小，在地震作用下控制結構的位移和剪力方面有優勢。

參考文獻

[1] GB50009-2001（2006年版）.建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2002

[2] 李國強.多高層建筑鋼結構設計.中國建筑工業出版社，2004

[3] 辛炯明.多高層鋼結構住宅抗震性能研究.北京交通大學.2009

[4] 北京金土木軟件技術有限公司.SAP2000中文版使用指南.北京：人民交通出版社.2006.9

[5] GB50017-2003.鋼結構設計規范[S].北京.中國建筑工業出版社2003