高層鋼結構住宅結構性能研究

朱 華 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230001）

1 工程慨況

1.1 工程簡介

本工程為一擬建于合肥市的高層鋼結構住宅，結構型式為鋼框架-支撐結構體系，建筑戶型為2梯4戶，對稱分布，如圖1所示。結構高度為81m，共27層，每層建筑面積為638.5m2，建筑總面積為17239.5m2。

圖1 標準層平面圖

1.2 設計參數及荷載取值

本工程為丙類建筑，設計使用年限為50年，各設計參數及荷載取值見表1和表2所示。

設計參數 表1

荷載取值 表2

2 兩種結構體系對比分析

2.1 結構布置

本工程分別采用方矩鋼管混凝土柱結構體系和方矩鋼管柱結構體系進行布置。方矩鋼管混凝土柱結構體系即在鋼柱中填充自密實混凝土，而方矩鋼管柱結構體系中的鋼柱則無混凝土填充。本工程對方矩鋼管混凝土柱結構體系與方矩鋼管柱結構體系采用相同的結構布置，如圖 2（a）、圖 2（b）所示。兩種結構所用鋼材均選用Q345B型號，螺栓采用10.9級摩擦型高強螺栓。經試算后，兩種結構體系的柱截面尺寸如表3所示。

圖2 結構布置圖

2.2 結構分析

對兩種結構體系采用SATWE程序進行結構分析，由分析結果可知，兩種結構體系的主要技術指標對比如表4所示。這兩種結構體系的計算結果均滿足我國現行規范及規程的要求。由表中數據我們可以知道，方矩鋼管混凝土柱結構體系和方矩鋼管柱結構體系各項技術指標中主要的不同之處為最大層間位移角，方矩鋼管混凝土柱結構體系的層間位移角明顯要小很多。由此我們可以得出，在鋼柱中灌注混凝土后使結構的整體剛度變大了。

2.3 材料用量比較

根據PKPM軟件中對結構材料的統計，可以得到方矩鋼管混凝土柱結構體系的總用鋼量為1330.2t，折合成每平方米用鋼量為77.2kg/m2，方矩鋼管柱結構體系的總用鋼量為1487.2t，合86.3kg/m2。而方矩鋼管混凝土柱結構體系中鋼管柱內所灌筑的混凝土總量約為460m3，合每平方米增加混凝土用量為0.0267m3。可以看出，方矩鋼管混凝土柱結構體系相比于方矩鋼管柱結構體系而言，混凝土用量每平米增加0.0267m3，鋼材用量每平米可減少9.1kg，柱用鋼量可減少35%左右。

主要柱截面尺寸(單位：mm) 表3

結構性能指標對比 表4

3 結構性能分析

3.1 性能目標選取

采用靜力彈塑性法和動力非線性時程分析法對所建立的兩種結構模型進行結構性能的分析。由《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）（以下簡稱《抗規》）附錄M中表M.1.1-2所推薦的性能目標與層間位移角的關系，選取性能目標3做為結構的性能目標。罕遇地震作用時，性能目標與層間位移角限值的對應關系如表5所示。

性能目標與層間位移角限值的對應關系 表5

3.2 靜力彈塑性分析

3.2.1 靜力彈塑性分析方法

靜力彈塑性（Pushover）分析的核心問題是找到結構的性能點，其方法一般可按某種規律對結構施加側向位或移側向力，直至結構模型的最大平動位移或控制點位移達到設定的破壞位移為止（其中破壞位移一般可取結構高度的1/100或2/100），從而得到結構在側向荷載作用下的荷載-位移曲線圖，再進一步將荷載-位移曲線圖轉化為加速度-位移曲線圖，即結構的能力譜曲線圖。然后根據條件建立目標地震作用下的需求譜曲線，將能力譜曲線和需求譜曲線畫在同一坐標系中，從而求得結構的性能點。

3.2.2 靜力彈塑性分析結果

本工程將對方矩鋼管混凝土柱結構體系和方矩鋼管柱結構體系所建立的兩種模型分別用Midas Gen軟件進行Pushover分析。其中柱鉸布置軸力-彎矩鉸（P-M-M型鉸）、梁鉸布置彎矩鉸（My鉸）、支撐布置軸力鉸（Fx鉸），塑性鉸曲線采用FEMA骨架曲線。分別從X、Y兩個方向采用振型法進行加載。設定7度（0.1g），第1地震分組，Ⅱ類場地，罕遇地震影響的需求譜，得到兩種結構體系下模型的性能點，如表6所示。兩種模型在結構性能點處的最大層間位移角如表7所示。

兩種結構體系下模型的性能點對比 表6

由表7可知，兩種結構模型在X向加載工況下的層間位移角均比Y向加載工況下的層間位移角大。由最大層間位移角結果可知，兩種不同結構體系下結構的性能均能達到性能目標3的要求。且方矩鋼管柱結構體系模型已達到性能目標2的層間位移角要求。由此可見，鋼混凝土柱結構體系模型與鋼柱結構體系模型相比，后者的抗震性能相對較好。

兩種結構體系下模型的性能點處結構最大層間位移角對比 表7

以X向加載工況為例，兩種結構模型在性能點處塑性鉸的發展情況如圖3和圖4所示。由圖3、圖4可知，在罕遇地震作用下，結構塑性鉸均先出在梁和支撐上，柱均無塑性鉸的出現。同時從結構性能點處塑性鉸的布置情況看出，方矩鋼管柱結構體系模型相對于方矩鋼管-混凝土柱結構體系模型而言，具有更大的安全儲備。

圖3 罕遇地震下方矩鋼管-混凝土柱結構體系模型性能點處塑性鉸狀況

圖4 罕遇地震下方矩鋼管柱結構體系模型性能點處塑性鉸狀況

3.3 動力非線性時程分析

3.3.1 動力非線性時程分析參數

PUSHOVER分析還僅是一種擬動力分析，還不能完全反映結構在實際地震波作用下的抗震性能。采用Midas-Gen軟件對兩種結構模型進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，根據規范要求，選取了兩條實際強震波和一條人工波對兩種結構模型進行彈塑性時程分析。兩條實際強震波分別為1940年記錄的El Centro波和1952年記錄的Taft波。根據《抗震規》中表5.1.2-2規定，將3條地震波的加速度峰值均調整到7度（0.1g）罕遇地震作用下的220cm/s2，分別從X向和Y向對結構加載進行動力時程分析。其中，柱定義軸力-彎矩鉸（Fz軸力鉸和My、Mz彎矩鉸），采用隨機硬化的滯回曲線模型；梁定義彎矩鉸（My方向），采用雙折線的滯回曲線模型；支撐定義軸力鉸（Fz方向），采用雙折線的滯回曲線模型，動力分析方法選擇直接積分法，以0.02s為時間步長進行分析。

3.3.2 動力非線性時程分析結果

兩種結構模型在3條地震波作用下的最大層間位移角如表8所示。由表8可知，兩種結構模型均滿足性能3的層間位移角限值規定，且接近性能目標2的層間位移角限值規定，方矩鋼管混凝土柱結構體系模型的層間位移角均比方矩鋼管柱結構體系模型的層間位移角略小。

兩種結構體系下模型的最大層間位移角對比 表8

X向地震波加載下兩種結構體系非彈性鉸延性分布情況 表9

以X向地震波加載為例，列出兩種結構模型在3條地震波加載過程中，結構非彈性鉸鉸的延性分布情況如表9所示。圖中Lever-1表示鉸還處于彈性階段，Lever-2表示鉸已達到屈服狀態，Lever-3、Lever-4、Lever-5表示各構件的延性依次遞增。在分析結果中對于上述5個狀態分別以藍色、深綠色、淺綠色、橙色和紅色來表示。由分析結果可知，兩種結構模型在3條地震波作用下，結構中有部分梁和支撐的非彈性鉸鉸進入塑性階段（Lerer-2階段），柱鉸均在彈性階段。在各條地震波作用下，兩種結構體系下模型中鉸的分布情況相似，也即說明兩種結構具有相近的抗震性能。

4 結論

本文對同一高層鋼結構住宅建筑采用了兩種結構模型進行了對比分析，從而得出了如下結論：

①高層鋼結構住宅，在柱中灌筑混凝土可減少柱用鋼量35%左右，而混凝土用量每平方米僅增加0.03m3左右，具有一定經濟性；

②在方矩鋼管柱中灌注混凝土可提高結構整體的抗側剛度，減小水平作用下結構的層間位移角；

③由于在柱中灌注混凝土而減少柱用鋼量，在罕遇地震作用下，方矩鋼管混凝土柱結構模型的整體延性略小于方矩鋼管柱結構模型。柱中灌注混凝土后，在罕遇地震作用下結構的抗震性能略為下降。

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