装配式钢结构建筑抗震性能研究

张景煜，符琳锐，吴良音

（中建二局第二建筑工程有限公司，广东 深圳 518000）

我国地处环太平洋地震带与欧亚地震带两条主要地震带之间，因此地震频率高、强度大，所以建筑物的抗震性能优劣对使用者来说尤为重要。装配式钢结构体系在我国的发展历程较短，国内专家、学者对于装配式钢结构体系研究工作的起步也比较晚。通过对美国EI 工程索引数据库、中国知网等进行检索查阅发现，鲜有关于装配式钢结构建筑抗震性能的相关文献。吴函恒等研究分析了钢框架-预制混凝土抗侧力墙板装配式结构体系（SPW 体系）基于抗震性能的设计方法[1]；程蓓等针对装配式混凝土结构中的梁柱节点提出了一种新型衔接模式，并研究分析了这种新型节点的滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力等受力机理和抗震性能[2]；吴从晓等提出了由预制装配式混凝土框架与扇形铅黏弹性阻尼器组合而成的一种新型预制装配式消能减震混凝土框架结构体系[3]；张锡治等对5 根高强混凝土装配式管柱在0.15 轴压比作用下开展了一系列拟静力试验，研究分析了高强混凝土装配式钢管桩的配筋形式、预应力度对其抗震性能的影响[4]；汪青杰等研究一种新型钢管混凝土柱与型钢梁装配式节点的抗震性能[5]。以上文献针对装配式建筑抗震性能进行了多种方向的研究，但均未对装配式建筑的钢结构主体框架进行抗震研究，因此，本文采用有限元软件ANSYS 对装配式钢结构建筑的抗震性能进行研究拟弥补该项空缺。

1 建筑结构抗震理论分析

我国建筑结构抗震设计按照“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求开展设计工作，以同时达到多层次的抗震需求。在达到第一水准时，结构尚处于弹性状态下的受力阶段，房屋还处在正常使用状态，抗震设计计算可采用弹性反应谱理论进行弹性分析；在达到第二水准时，结构进入了非弹性工作阶段，抗震设计要求这时的结构体系损坏或非弹性变形应控制在可修复的范围内；在达到第三水准时，结构体系将出现较大的非弹性变形，但要求变形控制在房屋免于倒塌的范围内。在这样的抗震设防指标要求下，建筑结构抗震设计要求需要通过地震作用的取值和抗震措施的采取来实现。在进行建筑结构的抗震设计时需要针对建筑结构使用功能的重要程度，按建筑结构所处地震烈度区域的不同，依据不同的抗震设计要求进行设计。

对建筑结构进行地震响应分析方法一般可又分为底部剪力法、反应谱法与时程分析法。

1.1 底部剪力法

工作原理为：先计算出作用于建筑结构整体的总水平地震作用，即建筑结构底部的剪力；然后将总地震作用按照适宜的规律分配到建筑结构的各个质点上，再求得各质点的水平地震作用；最后按照结构力学的计算方法求出建筑结构各层的地震剪力及位移。

一般情况下，当满足下列条件时可采用底部剪力法[6]：①高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构；②可近似于单质点体系的结构。

当对建筑结构采用底部剪力法进行计算时，建筑结构的各楼层可简化成一个自由度，结构在水平地震作用下的标准值为[7]

式中FEK——结构总水平地震作用标准值；

α1——相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数；

GEK——结构等效总重力荷载，单质点应取总重力荷载代表值，多质点可取总荷载代表值的85%；

Fi——质点i的水平地震作用标准值；

Gi、Gj——分别集中于质点i、j的重力荷载代表值；

Hi、Hj——分别为质点i、j的计算高度；

δn——顶部附加地震作用系数；

ΔΦn——顶部附加水平地震作用。

1.2 反应谱法

水平地震作用指的是发生地震时，建筑结构质点受到的水平方向的最大惯性力，即

在结构抗震设计中，建筑物的阻尼力很小。另外，惯性力最大时的加速度最大而速度最小，为简化计算，最大惯性力为

式中Sa——质点振动加速度最大绝对值，即

地震反应谱是指单自由度体系最大地震反应与体系自振周期T之间的关系曲线，根据地震反应内容的不同，可分为位移反应谱、速度反应谱及加速度反应谱。在结构抗震设计中，通常采用加速度反应谱，简称地震反应谱Sa（T）。体系的自振周期为T=2π／ω，由式（6）得地震反应谱曲线方程为

1.3 时程分析法

时程分析法指的是，在地震作用下，由初始状态开始一步一步地积分，直到地震作用终止，求出结构从静止到振动一直到达最终状态的全过程结果。GB5001-2010《建筑抗震设计规范》第3.6.2 条规定，“不规则且具有明显薄弱部位的地震时可能导致重严重破坏的建筑结构，应按有关规定进行罕遇地震作用下得弹塑性变形分析”[8]。因此，可根据建筑结构的具体特点选择是采用静力弹塑性分析法还是弹塑性时程分析方法。

时程分析法在结构抗震设计中，能更真实地描述结构地震响应，基本运动方程为[9]

式中 [M]、[C]、[K]——分别为结构质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；

2 装配式钢结构建筑抗震性能有限元分析

2.1 ANSYS有限元分析方法的选择

以装配式钢结构建筑为对象，对其抗震性能进行有限元分析，以期为装配式钢结构建筑在我国的发展及应用推广提供数据资料，因此，装配式钢结构建筑抗震性能的有限元分析方法从将地震作用简化成地震波响应及地震谱响应两种方式中进行选择。为了提高装配式钢结构建筑体系抗震性能分析的精度及准确度，本文选择以真实地震波为简化基础的地震作用简化方式进行地震响应有限元分析。

2.2 装配式钢结构建筑抗震性能有限元分析流程

以北京地区某装配式钢结构酒店建筑为原型，结合抗震规范及工程实践的数据内容，建立具有不同层高、柱距及桁架跨度数据尺寸的工程模型，通过ANSYS 有限元分析软件对缩尺比例模型加载地震波，研究其抗震性能情况。本文按照北京地区某装配式钢结构酒店建立的缩尺模型及网格划分情况如图1 所示。

图1 结构单元网格划分图

根据规范，北京地区及周边的抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度值为0.20g（g 为重力加速度），设计地震分组为第一组[12]。利用1976 年11 月15 日在天津宁河发生6.9 级地震所记录的地震加速度数据[13]，借助SeismoSignal 及SeismoArtif 软件，将其简化成水平及竖向两个方向的地震加速度，分别如图2、图3 所示。

图2 地震波水平加速度时程图

图3 地震波竖向加速度时程图

对该酒店工程实例项目进行简化，基于单变量分析的基础，建立7 个结构模型方案，各方案均为10 层、四跨度的混合式交钢结构。7 个有限元模型方案的具体尺寸数据如表1 所示。

表1 交错桁架抗震性能模型方案数据表

2.3 结果分析

通过验算各方案的长宽比、高宽比，所建立的模型均符合我国现行规范。分别对7 个有限元模型方案建模并进行有限元分析。限于文章篇幅，本文直接对有限元分析结果的数据进行了统计分析，简略了数值模拟结果图。7 个装配式钢结构建筑方案在地震作用下的结构模型层间位移分别如表2～表4 所示。

表2 不同层高的结构模型层间位移汇总表

表3 不同柱距的结构模型层间位移汇总表

表4 不同桁架跨度的结构模型层间位移汇总表

结合该酒店工程实例所建立的不同层高的ANSYS有限元模型，依次为2.7m，3.0m，3.3m。通过对建筑物模型在地震作用下发生变形较为显著的第三榀框架及变形较小的第一榀框架在X、Y、Z三个方向的层间变形最大值可以看出：同一地震作用下，建筑模型在X、Y、Z三个方向上的最大层间位移随层高的增长而增长，且各楼层层间位移均能满足JGJ 99-2015《高层民用建筑钢结构技术规程》及GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》的相关规定。从结构整体的应力云图可以看出层高为2.7m、3.0m、3.3m 的结构模型的应力峰值分别为110MPa、447MPa、677MPa，随着层高增大，整体结构模型的应力峰值也增大了。

本章建立了柱距为7.5m、8.1m、9.0m 三种建筑模型，通过对建筑物模型发生变形较为显著的第三榀框架及变形较小的第一榀框架在X、Y、Z三个方向的层间变形最大值可以看出：同一地震作用下，建筑模型在X、Y、Z三个方向上的最大层间位移随柱距的增长而增长，在X 方向上的增长较为明显，在Y和Z方向上的层间位移变形增大速度较缓慢，且各楼层层间位移均能满足JGJ 99-2015《高层民用建筑钢结构技术规程》及GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》的相关规定。而从结构整体的应力云图可以看出柱距为7.5m、8.1m、9.0m 的结构模型的应力峰值分别为447MPa、508MPa、754MPa，随着柱距的增大，整体结构模型中的应力峰值也增大了。

本章中建筑模型的桁架跨度设置为15m、18m 和21m 3 种尺寸，通过对建筑物模型发生变形较为显著的第三榀框架及变形较小的第一榀框架在X、Y、Z三个方向的层间变形最大值可以看出：同一地震作用下，建筑模型在X、Y、Z三个方向上的最大层间位移随桁架的增长而增长；当桁架跨度为21m 时，结构模型最大层间位移在X、Y、Z方向上的增长较为明显，最大层间位移值高达7.438E-03m，通过对不同桁架跨度结构模型应力云图的观察与分析发现，当桁架跨度为21m 时，结构模型低层桁架结构中较多节点进入了塑性阶段，应力峰值高达937MPa，说明较大跨度的桁架结构会影响建筑抵抗地震荷载的能力。

3 结语

通过对层高为2.7m、3.0m、3.3m，柱距为7.5m、8.1m、9.0m，桁架跨度为15m、18m、21m 的装配式钢结构模型在地震作用下发生的位移变形进行整理，7 个有限元模型的层间位移值及层间位移角契合GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》中“5.5.1 在多遇地震作用下，多、高层钢结构弹性层间位移角限值为[θe]=1／250”的标准，说明所建立的模型在不同影响因素作用下仍能够表现出较为优异的抗震能力。

对7 个有限元模型在X、Y、Z三个方向位移变化云图观察分析后可以发现，结构模型在地震作用产生的位移变形随着层高的增加而增大，虽然一大半以上有限元模型发生了较大的倾斜，但位移变形数据契合符合规范要求。7 个有限元模型在X、Y方向上的变形比在Z 方向上的变形大，说明水平地震作用对于装配式钢结构建筑的影响较大。

通过对7 个有限元模型的整体位移变化云图及应力云图进行观察分析，不难发现，结构模型中上层部分的位移变形较大，导致结构模型发生倾斜，较大应力值一般出现在低层桁架的顶端或底端节点处。柱距、桁架跨度较大的模型方案对应的结构整体位移变化云图中也能看到，位于中上层的桁架结构部分的位移变形较为突出，虽然位移变形数据在JGJ 99-2015《高层民用建筑钢结构技术规程》及GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》要求的范围之内，但为了提高结构稳定性，在进行建筑结构设计时需要对桁架结构部分进行适当的加固。