钢管混凝土框架－剪力墙结构的抗震性能分析

魏翠玲，王利云，刘永刚

(1.河北工程大学 建筑学院，河北 邯郸056038;2.昊华工程有限公司，北京100089)

钢管混凝土框架－剪力墙结构兼有框架结构空间布置灵活和剪力墙结构刚度大等特点，目前对该结构的研究大多集中于整体地震模拟试验［1－4］和梁柱节点抗震性能方面［5］，而对该结构的抗震性能理论数值分析相对较少。本文针对钢管混凝土框架－剪力墙结构的整体抗震性能进行理论研究，采用SAP2000有限元分析软件分别对12层钢管混凝土框架－剪力墙结构和12层钢管混凝土框架结构进行模态分析和地震响应弹塑性时程分析，并对结构在不同地震波作用下的顶点位移和最大绝对加速度等数值进行比较分析，为该结构的设计提供参考。

1 结构模型的建立

建立12层钢管混凝土框架－剪力墙结构模型(图1)，结构层高均为3 m，总高度为36 m，结构采用方钢管混凝土柱，截面为500 mm×500 mm，钢管壁厚为20 mm，钢梁截面为H500 mm×300 mm×11 mm×18 mm，楼板厚120 mm，混凝土等级为C35，剪力墙厚180 mm，结构钢材均采用Q345，混凝土强度均为C40。该结构按8度设防，场地类别为Ⅱ类场地，设计地震分组为第二组，场地特征周期为0.40 s，设计基本地震加速度为 0.20ɡ。本文地震波采用EL－Centro波，兰州波和唐山波，记录时间长度取为 30 s，时间间隔为0.01 s。在SAP2000中框架梁柱采用杆单元模拟，板和剪力墙采用shell壳单元模拟［10］，并与12层钢管混凝土框架结构进行比较分析。

2 结构模型的分析

结构地震响应分析一般常用方法为振型分解反应谱法和时程分析法，由于振型分解反应谱法不能反映地震作用下非线性的反应过程，尤其是在强烈地震作用下结构进入塑性状态时，基于弹性分析的反应谱法就不能得到真正的地震反应，而时程分析法可以跟踪结构在地震时的整个反应过程，并适用于结构的非线性地震反应分析［5］。所以本文采用时程分析法［7］进行地震响应分析。

2.1 结构动力特性分析

对结构进行动力特性分析得出钢管混凝土框架－剪力墙结构与钢管混凝土框架结构的前10阶自振周期表1所示，分析结果可以看出，钢管混凝土框架－剪力墙结构的自振周期明显减小，由结构刚度大、自振周期小可知在钢筋混凝土剪力墙作用下钢管混凝土框架结构具有较好的整体抗震性能。

2.2 结构地震响应分析

1)位移分析。图2给出了在不同地震波作用下结构的地震反应层间最大位移值，可以看出钢管混凝土框架－剪力墙结构最大位移明显小于钢管混凝土框架结构最大位移。根据位移计算得在El－Centro波、兰州波、唐山波作用下，钢管混凝土框架结构层间最大位移角分别为1/848、1/2 998、1/623，钢管混凝土框架－剪力墙结构层间最大位移角分别为 l/1 909、1/5 660、1/1 424，可以看出钢管混凝土框架－剪力墙结构层间最大位移角明显小于钢管混凝土框架结构的最大位移角，且均符合规范规定［6］结构在地震作用下层间位移角限值1/550。

表1结构的前10阶自振周期Tab.1 Top 10 order nature periods of the structures s

2)加速度分析。结构顶层在3种地震波作用下的加速度时程曲线如图3所示。由计算结果知，在El－Centro波、兰州波、唐山波作用下，钢管混凝土框架－剪力墙结构的顶层最大绝对加速度分别为 1 648 mm/s2、769 mm/s2、2 015 mm/s2，钢管混凝土框架结构的顶层最大绝对加速度分别为1 875 mm/s2、1 612 mm/s2、2 673 mm/s2。由此可知，在3种地震波作用下，钢管混凝土框架－剪力墙结构的水平向加速度峰值均比钢管混凝土框架结构的水平向加速度峰值有所降低。

3)基底最大剪力分析。表2给出了两类结构在不同地震波作用下基底剪力最大值。

表2两类结构基底剪力最大值Tab.2 Maximum shear force of the bottom of two kinds of structures kN

3 结论

1)在不同地震波作用下钢管混凝土框架－剪力墙结构的自振周期明显小于钢管混凝土框架结构的自振周期，结构刚度较钢管混凝土框架结构有所增加，表现出较好的抗震性能。

2)与钢管混凝土框架结构相比，钢管混凝土框架－剪力墙结构的层间位移最大值分别降低40%、38%、41%，顶层加速度峰值分别降低18%、47%、25%，基底剪力最大值分别降低35%、45%、32%，说明钢管混凝土框架－剪力墙结构抵抗水平向地震作用能力、结构屈服强度、极限变形能力均有提高，抗震效果好于钢管混凝土框架结构的抗震效果。

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