基于模態的樓板大開洞鋼框架結構扭轉控制

王海榮+畢玉玲

摘 要：隨著建筑功能的多樣化發展，樓板大開洞結構作為平面不規則結構的一種在工程中的應用越來越多。本文通過有限元軟件ETABS對一典型樓板大開洞鋼框架工程實例進行模態分析，研究屈曲約束支撐的布置對結構的扭轉效應控制措施。通過屈曲約束支撐布置前后樓板大開洞鋼框架的模態分析結果對比，得出屈曲約束支撐的布置有效地控制了結構的整體扭轉，提高了鋼框架的抗震性能。

關鍵詞：鋼框架；模態分析；扭轉效應

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.015

1 引言

歷次大地震的震害表明[1，2]，地震作用極易誘發不規則鋼框架發生嚴重震害，尤其樓板大開洞的鋼框架，其樓層剛度已經被極大地削弱，又因為平面布置不完全對稱，結構的剛度中心和質量中心出現偏移，所以樓板大開洞鋼框架的扭轉效應尤為明顯。結構設計中，提高鋼框架的抗扭剛度是提高其抗震性能的關鍵，而屈曲約束支撐以其優良減震效果得到越來越多的應用[3，4]。在鋼框架的受力過程中，屈曲約束支撐因為構造原因，在拉壓兩種受力狀態下均可以屈服，而不會發生屈曲，這大大提高了它的耗能能力。模態是結構自身固有的，整體的動力特性的反應，可以通過有限元軟件對結構進行計算獲得，通過模態分析可以預言結構受到外在作用時的實際振動響應，方便進行結構的優化設計。

2 工程實例概況

本節通過選取典型的樓板大開洞的工程實例來對以上問題進行分析研究。所選結構位于北京，是某大型綜合辦公樓中的作為垂直交通和水平交通中心的鋼結構項目。該結構共計七層，建筑總高度為33.7m，首層層高6.25m，二層層高5.15m，標準層層高4.4m，頂層層高4.7m。結構采用圓柱，鋼柱直徑為500mm，上下一致。在電梯井周邊，設有兩排矩形鋼柱，尺寸分別為200mm×200mm，200mm×300mm。框架梁截面為H600×200×14×25，次梁截面不等。樓板為鋼筋混凝土樓板，C30混凝土。屋面恒載為5 kN/m2；屋面活載為2 kN/m2；樓面恒載5.5 kN/m2；樓面活載2.5 kN/m2；基本雪壓0.40 kN/m2。基本風壓ω0=0.45kN/m2。本工程位于8度（0.2g）抗震設防區，場地類別B類，結構抗震等級為三級。

由于建筑效果需求，該結構平面近似中部位置從底層至六層樓板貫通開洞洞口形狀相似，因為建筑造型，頂層處洞口有所不同。結構平面中心處樓板大開洞，開洞尺寸約為18.2m×18.6m，上下貫穿整個建筑物，開洞面積接近鋼框架整個平面面積的32%。

3 分析結果

本文主要采用振型分解反應譜法對結構進行多遇地震作用和風荷載作用下整體分析，以模態結果中的振型形狀、自振周期和周期比、振型參與系數四個方面對結構的扭轉效應進行分析。根據原結構的實際情況，對其沿著主軸X方向對稱地布置兩道屈曲約束支撐，通過ETABS軟件對二者的計算結果進行對比分析如下。

3.1 振型分析

本文主要對該鋼框架的前三階基本振型進行分析。

由以上計算結果可知，原結構首先發生沿X軸主方向的水平振動，說明X軸方向的抗側剛度較弱，屈曲約束支撐的布置使結構沿X方向的平動變為第二振型，說明屈曲約束支撐使結構抗側剛度較弱的主軸方向變得相對較強。更重要的是，屈曲約束支撐布置后，結構的扭轉振動由第2階變為相對靠后的第三階，說明樓板大開洞鋼框架的結構整體扭轉狀況得到改善，抗震性能得到提高。

3.2 自振周期與周期比

本文主要對結構的前六階自振周期進行分析，添加屈曲約束支撐后，結構的前六階自振周期普遍偏小，前兩階降幅較大，第三階往后，自振周期降幅減小。自振周期反應結構整體剛度的變化，屈曲約束支撐的布置，提高了結構的側向剛度和扭轉剛度，同時增加了結構質量，使結構自振周期降低。

周期比是結構的第一扭轉周期與第一平動周期的比值，反映了結構的扭轉效應，周期比 提高則結構的扭轉效應增強。屈曲約束支撐添加后，結構周期比由原來的超過規范限值，降為0.6278，遠遠小于規范限值0.85[6]，約變為原來周期比的73%，由此可知，屈曲約束支撐的布置有效緩解了結構的扭轉效應。

3.3 振型參與系數

振型參與系數表示該振型在結構振動過程中的貢獻，結構振動中該振型特性越強則其振型參與系數越大。由上表可知，添加屈曲約束支撐后，樓板大開洞鋼框架的各階振型更加分明，平扭耦聯現象得到緩解，整體扭轉效應得到控制。

4 結論

（1）屈曲約束支撐的添加可以有效提高樓板大開洞鋼框架結構的抗側剛度和抗扭剛度，緩解結構由于功能要求造成的扭轉效應。

（2）樓板大開洞鋼框架結構由于結構原始偏心和抗側剛度弱等原因造成結構扭轉效應明顯，多遇地震作用和風荷載下的模態分析中扭轉變形出現在第2振型，而屈曲約束支撐的布置使其扭轉振型出現的次序推遲。這有效改善了樓板大開洞鋼框架的整體扭轉性能，提高了結構的抗震性能。

參考文獻：

[1]魏璉，王森，韋承基.水平地震作用下不對稱不規則結構抗扭設計方法研究[J].建筑結構，2005，35（08）：12-17.

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[3]王秀麗，蔡建輝.帶BRB的不規則框架抗震性能研究[J].甘肅科學報，2010，22（03）：112-116.

[4]馮曼，王澤軍.防屈曲耗能支撐在鋼筋混凝土框架結構中的耗能減震分析.四川建筑科學研究，2014，40（02）：184-191.

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[6]JGJ3-2010.高層建筑混凝土結構技術規程[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[7]DBJ/CT105-2011.TJ 屈曲約束支撐應用技術規程[S].2011.

[8]北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標準設計研究院編著.ETABS中文版使用指南[M].中國建筑工業出版社，2004.