某高层钢框架结构基于pushover方法的抗震分析

摘要：本文以某高层钢框架结构为例，进行基于pushover方法的抗震设计分析，对比结构在不同工况下的目标位移和层间位移角，以说明基于pushover方法的结构抗震分析的可靠性和实用性。

关键字：高层 钢框架结构 pushover方法 抗震分析

中图分类号：TU973 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（b）-0000-00

1、概述

高层钢框架结构是一种新型的结构形式，钢结构具有自重轻、强度高、承受动力荷载的能力好、韧性和塑性好等优点，尤其是钢结构和混凝土结构相比，钢结构良好的延性特点能够使其在变形很大的情况下而不倒塌。因此，钢结构是一种良好的结构抗震材料。目前，我国的高层钢框架结构还正处于广泛应用的阶段，研究高层钢框架结构的抗震性能很有意义。本文就是对某高层钢框架结构基于pushover方法的抗震分析。

2、pushover方法

2.1 基本原理和假定

Pushover分析方法是和反应谱相互结合的静力弹塑性分析的方法，是按照一定的加载方式，给结构施加一个单调递增的水平向荷载，使结构产生一个给定的目标位移，以此来分析判断结构的变形和受力是否满足设计和使用要求。其基本原理是把结构简化成为一个等效的单自由度的结构体系，计算和分析结构在设防地震作用时的最大位移，把它当做是目标位移。

建立结构的二维或三维模型，把地震作用等效为水平荷载，施加在计算模型上，对荷载以增量的方式进行结构非线性静力分析，直至结构的位移达到目标位移值为止。在计算分析的过程中要及时找出结构的塑性铰，修改总的刚度矩阵。根据结构变形和位移达到目标位移值时的结构变形和内力，可以判断和评估结构的抗震能力。

Pushover分析方法的假定是：一、计算结构体系和该结构的等效单自由度结构体系的反应是相互关联的，即结构的第一振型控制结构的反应；二、在每一个荷载的加载步中，结构沿着高度方向的变形由形状向量表示，在这一过程当中，不论结构变形的大小，形状向量不变。

2.2 Pushover分析基本过程及荷载工况

本次计算利用SAP2000软件的pushover功能进行结构计算分析，分析过程如下：首先建立结构的计算模型，定义结构构件的属性，确定结构计算和分析的工况，然后运行pushover进行计算分析，最后查看计算结果，得出结构的变形、内力等结果。

SAP2000软件提供了三种荷载加载方式，分别为自定义分布、均匀加速度分布和振型荷载分布。在进行pushover分析计算时，首先要计算和分析竖向荷载作用下结构的内力和变形，然后在此基础上考虑水平力作用下结构的内力和变形。因此，本次计算分析的水平荷载加载模式（工况）如下：

第一工况：竖向荷载；

第二工况：竖向荷载+均匀分布荷载X方向；

第三工况：竖向荷载+均匀分布荷载Y方向；

第四工况：竖向荷载+结构的第一振型分布；

第五工况：竖向荷载+结构的第二振型分布。

3、某高层钢框架基于pushover方法的抗震分析

本文以某高层钢框架结构为例，对其进行基于pushover方法的抗震计算分析。

3.1 工程概况及计算模型

某十二层钢框架结构，层高为3m，结构的梁柱和支撑全部是H型钢，梁的截面尺寸是：400mm×300mm×10mm×16mm，柱子的截面尺寸是：600mm×300mm×12mm×20mm，支撑的截面尺寸是：200mm×200mm×8mm×12mm，楼板是100mm厚的钢筋混凝土现浇板。钢框架结构的建筑地区抗震设防烈度是8度，场地类别是Ⅱ类，结构设计地震分组是第二组，场地特征周期是0.4s，结构的阻尼比是0.05，设计的地震加速度值是0.209。在SAP2000中建立结构计算模型如图1所示。

3.2 分析结果

3.2.1 结构的目标位移

由计算结果可知，工况二情况下，多遇地震时结构顶层的目标位移为0.074m，罕遇地震时结构顶层的目标位移为0.392m；工况三情况下，多遇地震时结构顶层的目标位移为0.055m，罕遇地震时结构顶层的目标位移为0.309m；工况四情况下，多遇地震时结构顶层的目标位移为0.084m，罕遇地震时结构顶层的目标位移为0.531m，工况五情况下，多遇地震时结构顶层的目标位移为0.063m，罕遇地震时结构顶层的目标位移为0.385m。

分布比较工况二和工况四、工况三和工况五可以发现，两组工况下得出的数据结果相差不大，这说明对于高层钢框架结构来说，不同的加载模式会产生差异，且工况四时结构产生的位移大于工况二作用时结构的位移，工况五时结构产生的位移大于工况三作用时结构的位移，这是因为工况二和工况三是侧向均布的荷载，工况四和工况五是倒三角分布的荷载，符合实际情况。

3.2.2 结构塑性铰的分布

观察计算结果可以发现，罕遇地震时结构是逐步出现塑性铰，多遇地震时结构没有出现塑性铰。分析罕遇地震发现，工况二、工况三、工况四和工况五时结构都是在第五个荷载分析步时出现塑性铰，在第七个荷载分析步时梁单元进入屈服阶段，但是最终柱单元上没有出现塑性铰。

3.2.3 结构的层间位移角

观察计算结果可以知道，四种工况下结构产生的层间位移角都能够满足结构抗震设计规范的规定要求，弹性层的层间位移角小于1/300，弹塑性层间位移角小于1/50。

4、结论

伴随着结构抗震设计当中越来越多的引入基于性能设计的思想，基于pushover方法的抗震分析必然会越来越多的应用于地震工程界当中。通过本文的计算和分析可以得出以下结论：

对高层钢框架结构进行基于pushover方法的抗震分析时，使用不同的水平荷载加载模式得到的结构顶点位移和层间位移角有差别，但是差别不大，得到的结果符合荷载的加载模式实际情况。

本文以某高层钢框架为例，进行基于pushover方法的抗震设计分析，在分析的过程中，可以比较清楚的看到结构塑性铰的出现和构件的屈服过程，对于今后结构的抗震设计和评估具有十分重要的参考意义。

参考文献

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