支撐鋼框架體系的簡化計算方法及抗震性能研究

朱琳

【摘 要】基于剛度連續化方法和位移協調條件，推導了支撐鋼框架體系在倒三角荷載下的簡化計算公式。建立了Perform3D的彈塑性分析模型，通過非線性時程分析獲得結構在大震下的動力響應，并對支撐鋼框架體系的抗震性能進行了闡述。

【關鍵詞】支撐鋼框架；屈曲；抗震性能；Perform3D；非線性時程分析

0 引言

對于高層及超高層鋼結構體系，普通框架的抗側剛度已經不能滿足風與地震作用的設計需求。支撐鋼框架體系是指在框架指定位置布設鋼支撐，通過支撐構件的軸向拉壓抵抗水平荷載，以保證整體結構的安全。該體系框架部分發生剪切型變形，底部層間位移大，抗側剛度??；支撐部分發生彎曲型變形，底部層間位移小，抗側剛度大。兩者并聯能夠明顯優化層間位移的分布[1]，避免薄弱層產生，具有良好的抗震性能。

目前國內外比較流行的抗震分析軟件有：Abaqus，Perform3D，Midas，SAP2000，Sausage等。其中Perform3D是一款專門用于動力彈塑性分析和結構抗震性能評估的軟件。Perform 3D具有豐富的彈塑性計算單元，采用常加速度時程積分法，與FEMA356，ATC40等規范融合的非常到位，其計算結果可以直接指導工程實踐。本文推導了支撐框架體系在倒三角荷載下的簡化計算公式，建立了Perform3D的彈塑性分析模型，通過非線性時程分析獲得結構在大震下的動力響應，并對支撐鋼框架體系的抗震性能進行了總結。

2 分析結果

根據非線性時程分析結果，分別提取支撐鋼框架體系和對比純框架體系的層間位移角（規范對于結構在大震下的要求為層間位移角小于1/50）。計算各個樓層層間位移角峰值在七條波下的平均值，如圖2所示。

由圖2可以看出，相比于純框架體系，大震下結（下轉第140頁）（上接第133頁）構的層間位移角銳減，且分布非常均勻，沒有出現薄弱層，各個樓層均滿足規范1/50的限值要求，結構設計合理，大震下變形性能良好。純框架體系的層間位移角明顯高于支撐鋼框架體系，底部變形很大，上部樓層變形較小，層間位移角已經超出規范的限值要求，大震下結構的抗震能力不夠，甚至已經倒塌失效。此外，支撐鋼框架體系在頂部的層間位移角略大于純框架體系頂部的層間位移角，這是由于支撐部分呈現彎曲型變形模式，對于框架部分剪切型變形模式具有附加的頂部約束作用，從而使得支撐框架體系在頂部的層間位移角偏大，但其量值仍在規范允許的范圍之內。

圖2 非線性時程分析結果

3 結論

1）本文對支撐框架體系的抗側剛度進行了連續化等效，基于位移協調條件推導了結構的簡化計算方法，具有一定的工程意義。

2）采用Perform3D建立了彈塑性分析模型，受彎構件及壓彎構件通過纖維單元考慮其彎、剪、扭的受力性能及相互影響。支撐構件采用軸力桿模型，通過基于材料的單軸屈曲本構考慮構件的整體失穩，全面反映了構件的滯回性能。以上建模方式大大簡化了分析模型，且精度滿足工程實際的要求。

3）由兩種模型非線性時程分析結果的對比可知，支撐鋼框架體系可以大大提高結構的抗側剛度，使結構的層間位移分布更加均勻，有效避免了薄弱層的產生，具有良好的抗震性能。

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[責任編輯：田吉捷]