小高层钢结构住宅抗震性能研究

2010-03-17史三元侯桂欣苏晓亮

河北工程大学学报(自然科学版) 2010年2期

史三元,侯桂欣,苏晓亮

(1.河北工程大学土木工程学院,河北邯郸056038;2.青岛新华友建工集团股份有限公司,山东青岛266101)

与其它结构相比,钢结构在使用功能、设计、施工以及综合经济方面都具有优势。杜关记[1]等人以典型的钢结构住宅为例,研究和探索了多高层钢结构住宅结构体系的选择;米旭峰[2]进行了非线性弹塑性时程响应分析,总结了钢支撑设计方法对多层框架抗震性能的影响。文献[3-9]则对不同的钢结构体系的多高层住宅,进行了设计参数、技术经济指标等方面的研究。本文从研究钢结构小高层结构体系的抗震性能出发,分别建立了钢框架、钢框架支撑2种三维空间有限元模型,试图分析不同的抗震烈度区下抗震性能的变化规律。

1 建立模型

本文建立了钢框架和钢框架支撑两种结构体系的三维空间有限元模型,并利用SAP2000有限元分析软件对模型进行了动力分析。

1)模型的建立：一幢11层的住宅楼,层高3m,建筑面积3 872m2,平面为矩形,局部凹进去4m;轴线长32m,宽12m;无地下室。钢框架结构、钢框架支撑模型见图1和图2。

2)模型分析条件：进行7度区和8度区地震作用下的动力特性分析和动力响应分析。

3)框架体系主要构件见表1。

表1 结构体系主要构件表Tab.1 The main components of the frame system (mm)

2 计算原理

小高层建筑结构可以简化为一个多质点体系,其运动微分方程可以表示为

在△t时刻,其运动微分方程表示为

[M]—结构的质量矩阵;[C]—结构的阻尼矩阵;[K]—结构的刚度矩阵;{x(t)}—结构各质点在t时刻的位移;{﹒x(t)}、{﹒x(t+△t)}—结构各质点在t、t+△t时刻的速度;{¨x(t)}、{¨x(t+△t)}—结构各质点在t、t+△t时刻的加速度; {Fp(t)}、{Fp(t+△t)}—结构在t、t+△t时刻的动荷载。

数值积分法的计算过程[7]：假设 t=0时刻的状态向量(位移、速度、加速度)已的,将时间求解域0≤t≤T进行离散得t=0+△t时刻的状态向量,进而计算t=t+△t时刻的状态向量,直至t =T时刻终止,得到动力响应的全过程。

3 结构动力分析

进行7度区和8度区地震作用下的动力特性分析和动力响应分析,得到结构的自振频率,通过动力响应分析得到结构的顶点位移、层间位移分析结果,,进而进行2种结构体系的抗震性能分析。

3.1 结构动力特性分析

通过模态分析得到了2种模型的前10阶振型对应的自振频率(表2)。

表2 结构的自振频率Tab.2 The natural frequency of the structure (Hz)

3.2 结构动力响应分析

对2种模型进行地震作用下位移响应进行分析、比较,了解2种模型各自的抗震性能。地震动力响应计算采用ElCentro地震波,时间间隔为0.02s,持续时间为30s,使用于II类场地,南北方向,波的峰值加速度为341.7m/s2。如图3所示。

1)结构的顶点位移：通过程序计算得出两种结构体系在在地震烈度为7度、8度下的顶点位移时程曲线(Y向)。如图(4-7)。

通过以上位移时程有限元分析,可以得到3种结构体系Y向的顶点最大位移值(表3)。

表3 顶点最大位移值Tab.3 The Maximum of vertex displacement

由以上数据可得出如下结论：2种结构体系在Y向地震波作用下,随着地震加速度的增加,各结构体系的顶点最大位移也在增大;并且结构体系的顶点最大位移随结构体系的Y向抗侧刚度的增大而减小;因此加上支撑的结构体系的顶点最大位移明显低于纯钢框架结构体的顶点最大位移。

2)结构的层间位移：2种结构体系的最大层层间位移曲线见图8、图9。

由以上层间位移曲线可以看出：3种结构体系的相对层间位移随着地震加速度的增大而增大;纯钢框架的层间位移比加设支撑的层间位移的最值明显大很多,说明增加结构的抗侧刚度的同时能够减小结构的层间位移;Y向地震波作用下,纯钢框架的层间位移最大值出现的位置为第2层、钢支撑结构为第8层,充分证明了钢框架结构体系的变形为剪切型结构,而加设支撑体系的钢框架结构的变形为弯剪型结构。