组合结构的抗震性能分析

吴 涛，韦人伟

(1.安徽建筑大学 土木工程学院，合肥 230601;2.英国伦敦大学 土木工程学院)

组合结构的抗震性能分析

吴 涛1*，韦人伟2

(1.安徽建筑大学 土木工程学院，合肥 230601;2.英国伦敦大学 土木工程学院)

运用SAP 2000有限元结构分析软件建立结构的线性三维模型，并分别对加层有支撑的组合结构模型及加层无支撑的组合结构模型进行了分析。通过对比两种结构在模态分析和振型反应谱分析下得到的关于自振周期、楼层位移和层间剪力的数据，得出了相关结论。结论表明：加层有支撑的组合结构抗震性能优于加层无支撑的组合结构。

自振周期；反应谱分析；楼层位移；层间剪力；

面对有限的土地资源以及经济成本等多方面因素的制约，对新型建筑结构的研究迫在眉睫。组合结构正是一种十分重要的新型建筑结构，它不仅可以增加土地资源的有效利用率，而且可以节约成本，更为建筑行业提供一个全新的研究方向[1]。为研究加层有支撑的组合结构和加层无支撑的组合结构的抗震性能，本文运用SAP 2000有限元结构分析软件[2]分别对上述2种组合结构建立模型，进行模态和振型反应谱分析，得到2种结构的自振周期、楼层位移、层间剪力的相关数据。经过对比分析，分别得出加层有支撑的组合结构与加层无支撑的组合结构的抗震效果[3]。

1 模型算例

模型选取主体为8层钢筋混凝土框架结构+加层为2层钢结构的组合体系[4]，主体框架结构与加层钢结构间柱脚采用刚接，层高3.6 m，建筑总高度36 m。纵向总长度4.2×8=33.6 m，横向总长度6+3+6=15 m，一层梁、板采用C30强度等级，板厚取120 mm，柱采用C35强度等级，选用HRB335为受力钢筋，箍筋选用HPB235级钢筋。加层钢结构梁柱采用Q235型号的工字钢，截面尺寸分别取HN500×250×10×10、HW500×250×10×10，通过SAP 2000有限元结构分析软件建立的2种结构模型，如图1、图2所示。

(a)三维模型图

(b) 侧立面图图1 加层无支撑的组合结构有限元模型

(a)三维模型图

(b) 侧立面图图2 加层有支撑的组合结构有限元模型

2 模态分析

在结构的地震分析中，通常使用的有效分析方法就是模态分析法。选取的模型是10层的组合结构，在地震作用下的变形复杂多样，所以通过对2种结构进行模态分析，从而了解结构的周期、频率等动力特性的举措是必不可少的。

本文选用SAP 2000中Ritz向量法分析进行结构的动力特性分析，得到了2种结构的自振周期及频率等数据。通过分析2种模型的前10阶振型周期(见图3)，来对比结构的固有特性。

图3 2种结构的前10阶自振周期对比

由图3可知：

1)加层有支撑的组合结构的自振周期均小于加层无支撑的组合结构，并且加层有支撑的组合结构的第1自振周期比加层无支撑的组合结构减少了12.3%。

2)2种结构均在前3阶振型周期的变化幅度较大，但从第4阶振型后，周期变化的趋势较为平缓。

3)模态分析下的周期特性说明，由于加层有支撑的组合结构的刚度较加层无支撑的组合结构大，导致前者的自振周期比后者有所减小，有效避开了所处地区的卓越周期。

3 振型反应谱分析

GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[5]规定：在多遇地震下，结构地震影响系数应由所在地区抗震设防烈度、设计地震分组等因素确定。反应谱分析法是近似计算出结构动力反应最大值的方法，本文模型算例属于竖向不规则的组合结构，可用振型反应谱法进行模拟计算和分析，得到结构模型的楼层位移包络图和层间剪力图，如图4、图5所示。

由图4—5可知：

1)加层无支撑的组合结构最大楼层位移为37.28 mm；加层有支撑的组合结构最大楼层位移为31.68 mm。加层有支撑的组合结构楼层位移均小于加层无支撑的组合结构，因此，加层有支撑组合结构的抗侧刚度大于加层无支撑的组合结构。

2)加层有、无支撑的组合结构均在第2楼层及第11楼层(钢筋混凝土框架结构与钢结构交接处)发生了跳跃性很大的楼层位移，说明第2楼层及第11楼层是结构的薄弱层。

3)2种结构模型层间剪力的变化量是逐层减小的，且变化趋势较为缓和，但均在第10和第11层剪力的变化量较大，因此需要重点关注这2层的调整和加固。

图4 2种结构楼层位移包络

图5 2种结构层间剪力

4 结语

本文运用SAP2000有限元结构分析软件建立结构的线性三维模型，并分别对加层有支撑的组合结构模型及加层无支撑的组合结构模型进行了周期分析、振型反应谱分析。通过比较2种组合结构的抗震性能，得出结论：

1)在结构的模态动力特性分析下，加层有支撑的组合结构的自振周期比加层无支撑的组合结构有所降低，这是由于加层有支撑的组合结构有了支撑的加入，但总的来说，降低的幅度并不是很大。

2)加层有支撑的组合结构可以有效避免所在地区场地的卓越周期，减轻地震对建筑结构的破坏性。

3)2种结构在振型反应谱分析下，加层有支撑的组合结构在抗震中楼层最大位移较加层无支撑的组合结构小，并且2种结构均在第2楼层及第11楼层产生较大的位移变化量，形成了薄弱层，所以在抗震设计时，应多注意这两层的验算和加固。

4)由于加层有支撑的组合结构引入了支撑这个元素，使得其在地震作用中比加层无支撑的组合结构更具有稳定性。

综上，加层有支撑的组合结构较加层无支撑的组合结构抗震性能更具有优势。

[1] 郑文忠,王英,刘铁,等.对既有房屋套建加层改造的认识与思考[J].工业建筑,2005,35(4):1-5.

[2] 北京金土木软件技术有限公司.SAP2000中文使用指南[M].北京:人民交通出版社,2012.

[3] 雷宏刚,秦纪平.轻钢结构增层可行性及相关问题研究[J].太原理工大学学报,2001,32(4):331-334.

[4] 刘昱,高小旺,张涛.基于SAP2000的轻钢加层结构的抗震性能分析[J].工程抗震与加固改造,2008,30(6):100-104.

[5] 中国建筑科学研究院.建筑抗震设计规范：GB 50011—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

Analysis of Seismic Performance for Composite Structures

WUTao1*,WEIRenwei2

(1.Department of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601,China; 2.Department of Civil Engineering, University of London)

The authors used a finite element analysis software SAP 2000 to establish 3d model for a structure and the combination of the support structure model for coating layer and an unsupported combination structure model were analyzed. By comparing the two kinds of structures in modal analysis and vibration modal response spectrum analysis of natural vibration period, under the floor displacement, Interlaminar shear data was obtained,and the relevant conclusions were drawn. The results indicated that seismic performance for add layer with the combination of the support structure was superior to add layer without the combination of the support structure.

periodic analysis; response spectrum analysis; floor displacement; interlaminar shear

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.003

2016-11-08

安徽省高校自然科学研究重大项目“非规则结构地震反应特性与抗震减震研究”(KJ2014ZD07)

吴涛(1991— )，男(汉族)，安徽巢湖人，在读硕士研究生，研究方向：抗震减灾，通信作者邮箱：452820438@qq.com。 韦人伟(1991— )，男(汉族)，安徽合肥人，硕士研究生，研究方向：结构工程。

TU973+.23

A

2095-5383(2016)04-0009-03