裝配式鋼結構建筑抗震性能研究

張景煜，符琳銳，吳良音

（中建二局第二建筑工程有限公司，廣東 深圳 518000）

我國地處環太平洋地震帶與歐亞地震帶兩條主要地震帶之間，因此地震頻率高、強度大，所以建筑物的抗震性能優劣對使用者來說尤為重要。裝配式鋼結構體系在我國的發展歷程較短，國內專家、學者對于裝配式鋼結構體系研究工作的起步也比較晚。通過對美國EI 工程索引數據庫、中國知網等進行檢索查閱發現，鮮有關于裝配式鋼結構建筑抗震性能的相關文獻。吳函恒等研究分析了鋼框架-預制混凝土抗側力墻板裝配式結構體系（SPW 體系）基于抗震性能的設計方法[1]；程蓓等針對裝配式混凝土結構中的梁柱節點提出了一種新型銜接模式，并研究分析了這種新型節點的滯回曲線、骨架曲線、延性、耗能能力等受力機理和抗震性能[2]；吳從曉等提出了由預制裝配式混凝土框架與扇形鉛黏彈性阻尼器組合而成的一種新型預制裝配式消能減震混凝土框架結構體系[3]；張錫治等對5 根高強混凝土裝配式管柱在0.15 軸壓比作用下開展了一系列擬靜力試驗，研究分析了高強混凝土裝配式鋼管樁的配筋形式、預應力度對其抗震性能的影響[4]；汪青杰等研究一種新型鋼管混凝土柱與型鋼梁裝配式節點的抗震性能[5]。以上文獻針對裝配式建筑抗震性能進行了多種方向的研究，但均未對裝配式建筑的鋼結構主體框架進行抗震研究，因此，本文采用有限元軟件ANSYS 對裝配式鋼結構建筑的抗震性能進行研究擬彌補該項空缺。

1 建筑結構抗震理論分析

我國建筑結構抗震設計按照“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防要求開展設計工作，以同時達到多層次的抗震需求。在達到第一水準時，結構尚處于彈性狀態下的受力階段，房屋還處在正常使用狀態，抗震設計計算可采用彈性反應譜理論進行彈性分析；在達到第二水準時，結構進入了非彈性工作階段，抗震設計要求這時的結構體系損壞或非彈性變形應控制在可修復的范圍內；在達到第三水準時，結構體系將出現較大的非彈性變形，但要求變形控制在房屋免于倒塌的范圍內。在這樣的抗震設防指標要求下，建筑結構抗震設計要求需要通過地震作用的取值和抗震措施的采取來實現。在進行建筑結構的抗震設計時需要針對建筑結構使用功能的重要程度，按建筑結構所處地震烈度區域的不同，依據不同的抗震設計要求進行設計。

對建筑結構進行地震響應分析方法一般可又分為底部剪力法、反應譜法與時程分析法。

1.1 底部剪力法

工作原理為：先計算出作用于建筑結構整體的總水平地震作用，即建筑結構底部的剪力；然后將總地震作用按照適宜的規律分配到建筑結構的各個質點上，再求得各質點的水平地震作用；最后按照結構力學的計算方法求出建筑結構各層的地震剪力及位移。

一般情況下，當滿足下列條件時可采用底部剪力法[6]：①高度不超過40m、以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的結構；②可近似于單質點體系的結構。

當對建筑結構采用底部剪力法進行計算時，建筑結構的各樓層可簡化成一個自由度，結構在水平地震作用下的標準值為[7]

式中FEK——結構總水平地震作用標準值；

α1——相應于結構基本自振周期的水平地震影響系數；

GEK——結構等效總重力荷載，單質點應取總重力荷載代表值，多質點可取總荷載代表值的85%；

Fi——質點i的水平地震作用標準值；

Gi、Gj——分別集中于質點i、j的重力荷載代表值；

Hi、Hj——分別為質點i、j的計算高度；

δn——頂部附加地震作用系數；

ΔΦn——頂部附加水平地震作用。

1.2 反應譜法

水平地震作用指的是發生地震時，建筑結構質點受到的水平方向的最大慣性力，即

在結構抗震設計中，建筑物的阻尼力很小。另外，慣性力最大時的加速度最大而速度最小，為簡化計算，最大慣性力為

式中Sa——質點振動加速度最大絕對值，即

地震反應譜是指單自由度體系最大地震反應與體系自振周期T之間的關系曲線，根據地震反應內容的不同，可分為位移反應譜、速度反應譜及加速度反應譜。在結構抗震設計中，通常采用加速度反應譜，簡稱地震反應譜Sa（T）。體系的自振周期為T=2π／ω，由式（6）得地震反應譜曲線方程為

1.3 時程分析法

時程分析法指的是，在地震作用下，由初始狀態開始一步一步地積分，直到地震作用終止，求出結構從靜止到振動一直到達最終狀態的全過程結果。GB5001-2010《建筑抗震設計規范》第3.6.2 條規定，“不規則且具有明顯薄弱部位的地震時可能導致重嚴重破壞的建筑結構，應按有關規定進行罕遇地震作用下得彈塑性變形分析”[8]。因此，可根據建筑結構的具體特點選擇是采用靜力彈塑性分析法還是彈塑性時程分析方法。

時程分析法在結構抗震設計中，能更真實地描述結構地震響應，基本運動方程為[9]

式中 [M]、[C]、[K]——分別為結構質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；

2 裝配式鋼結構建筑抗震性能有限元分析

2.1 ANSYS有限元分析方法的選擇

以裝配式鋼結構建筑為對象，對其抗震性能進行有限元分析，以期為裝配式鋼結構建筑在我國的發展及應用推廣提供數據資料，因此，裝配式鋼結構建筑抗震性能的有限元分析方法從將地震作用簡化成地震波響應及地震譜響應兩種方式中進行選擇。為了提高裝配式鋼結構建筑體系抗震性能分析的精度及準確度，本文選擇以真實地震波為簡化基礎的地震作用簡化方式進行地震響應有限元分析。

2.2 裝配式鋼結構建筑抗震性能有限元分析流程

以北京地區某裝配式鋼結構酒店建筑為原型，結合抗震規范及工程實踐的數據內容，建立具有不同層高、柱距及桁架跨度數據尺寸的工程模型，通過ANSYS 有限元分析軟件對縮尺比例模型加載地震波，研究其抗震性能情況。本文按照北京地區某裝配式鋼結構酒店建立的縮尺模型及網格劃分情況如圖1 所示。

圖1 結構單元網格劃分圖

根據規范，北京地區及周邊的抗震設防烈度為8 度，設計基本地震加速度值為0.20g（g 為重力加速度），設計地震分組為第一組[12]。利用1976 年11 月15 日在天津寧河發生6.9 級地震所記錄的地震加速度數據[13]，借助SeismoSignal 及SeismoArtif 軟件，將其簡化成水平及豎向兩個方向的地震加速度，分別如圖2、圖3 所示。

圖2 地震波水平加速度時程圖

圖3 地震波豎向加速度時程圖

對該酒店工程實例項目進行簡化，基于單變量分析的基礎，建立7 個結構模型方案，各方案均為10 層、四跨度的混合式交鋼結構。7 個有限元模型方案的具體尺寸數據如表1 所示。

表1 交錯桁架抗震性能模型方案數據表

2.3 結果分析

通過驗算各方案的長寬比、高寬比，所建立的模型均符合我國現行規范。分別對7 個有限元模型方案建模并進行有限元分析。限于文章篇幅，本文直接對有限元分析結果的數據進行了統計分析，簡略了數值模擬結果圖。7 個裝配式鋼結構建筑方案在地震作用下的結構模型層間位移分別如表2～表4 所示。

表2 不同層高的結構模型層間位移匯總表

表3 不同柱距的結構模型層間位移匯總表

表4 不同桁架跨度的結構模型層間位移匯總表

結合該酒店工程實例所建立的不同層高的ANSYS有限元模型，依次為2.7m，3.0m，3.3m。通過對建筑物模型在地震作用下發生變形較為顯著的第三榀框架及變形較小的第一榀框架在X、Y、Z三個方向的層間變形最大值可以看出：同一地震作用下，建筑模型在X、Y、Z三個方向上的最大層間位移隨層高的增長而增長，且各樓層層間位移均能滿足JGJ 99-2015《高層民用建筑鋼結構技術規程》及GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》的相關規定。從結構整體的應力云圖可以看出層高為2.7m、3.0m、3.3m 的結構模型的應力峰值分別為110MPa、447MPa、677MPa，隨著層高增大，整體結構模型的應力峰值也增大了。

本章建立了柱距為7.5m、8.1m、9.0m 三種建筑模型，通過對建筑物模型發生變形較為顯著的第三榀框架及變形較小的第一榀框架在X、Y、Z三個方向的層間變形最大值可以看出：同一地震作用下，建筑模型在X、Y、Z三個方向上的最大層間位移隨柱距的增長而增長，在X 方向上的增長較為明顯，在Y和Z方向上的層間位移變形增大速度較緩慢，且各樓層層間位移均能滿足JGJ 99-2015《高層民用建筑鋼結構技術規程》及GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》的相關規定。而從結構整體的應力云圖可以看出柱距為7.5m、8.1m、9.0m 的結構模型的應力峰值分別為447MPa、508MPa、754MPa，隨著柱距的增大，整體結構模型中的應力峰值也增大了。

本章中建筑模型的桁架跨度設置為15m、18m 和21m 3 種尺寸，通過對建筑物模型發生變形較為顯著的第三榀框架及變形較小的第一榀框架在X、Y、Z三個方向的層間變形最大值可以看出：同一地震作用下，建筑模型在X、Y、Z三個方向上的最大層間位移隨桁架的增長而增長；當桁架跨度為21m 時，結構模型最大層間位移在X、Y、Z方向上的增長較為明顯，最大層間位移值高達7.438E-03m，通過對不同桁架跨度結構模型應力云圖的觀察與分析發現，當桁架跨度為21m 時，結構模型低層桁架結構中較多節點進入了塑性階段，應力峰值高達937MPa，說明較大跨度的桁架結構會影響建筑抵抗地震荷載的能力。

3 結語

通過對層高為2.7m、3.0m、3.3m，柱距為7.5m、8.1m、9.0m，桁架跨度為15m、18m、21m 的裝配式鋼結構模型在地震作用下發生的位移變形進行整理，7 個有限元模型的層間位移值及層間位移角契合GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》中“5.5.1 在多遇地震作用下，多、高層鋼結構彈性層間位移角限值為[θe]=1／250”的標準，說明所建立的模型在不同影響因素作用下仍能夠表現出較為優異的抗震能力。

對7 個有限元模型在X、Y、Z三個方向位移變化云圖觀察分析后可以發現，結構模型在地震作用產生的位移變形隨著層高的增加而增大，雖然一大半以上有限元模型發生了較大的傾斜，但位移變形數據契合符合規范要求。7 個有限元模型在X、Y方向上的變形比在Z 方向上的變形大，說明水平地震作用對于裝配式鋼結構建筑的影響較大。

通過對7 個有限元模型的整體位移變化云圖及應力云圖進行觀察分析，不難發現，結構模型中上層部分的位移變形較大，導致結構模型發生傾斜，較大應力值一般出現在低層桁架的頂端或底端節點處。柱距、桁架跨度較大的模型方案對應的結構整體位移變化云圖中也能看到，位于中上層的桁架結構部分的位移變形較為突出，雖然位移變形數據在JGJ 99-2015《高層民用建筑鋼結構技術規程》及GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》要求的范圍之內，但為了提高結構穩定性，在進行建筑結構設計時需要對桁架結構部分進行適當的加固。