大底盘L 型钢结构的抗震性能分析

2021-11-26周宏

中国建筑金属结构 2021年5期

周宏

通常来说，钢结构的延展性能以及抗震性能是比较好的。所以在高层建筑的项目中最理想的材料就是钢结构。钢结构还有一个优势就是可以通过使用不规则钢结构来增加建筑物的美观性。外在的很多因素都会影响到不规则钢结构的性能，所以在建筑过程中不规则钢结构的设计需要考虑地震因素的影响。本文研究大底盘L 型钢结构的抗震性能如何提高，主要讨论X 型支撑材料和单斜杆的情况下抗震性能的改变程度。

L 型建筑物有很多独特的优势。一方面是能够在用地方面节约用地成本；另一方面能够保证设备的性能质量，可以跟周边的一些建筑物保持高度的统一。在生活中很多工程项目都会应用到这项技术。通常来说，因为这种类型的结构的楼层质量和刚度中心有很大的偏心距，导致在结构承受地震扰动的时候，结构扭转发生的可能性较大，容易导致产生垂直水平的变化[1]。也就是方向这个角度其实存在很大的相关性。所以，设计人员在对结构和材料进行设计的时候，起码要考虑到水平二维方向的地震影响。近年来，我国城建设计中常用的是分析结构抗震性能的办法主要是时程分析方法和反应谱分析方法[2]。对于反应光谱方法来说，每个国家的规范都是主要按照每个方向上反应谱的抗震响应值以及这些响应值组合起来的值。对于时程分析法来说，在大多数情况下使用结构体系中平行的横轴和纵轴，以及地震动输入方向。前面的假设在规则结构的时候是成立的，但是如果钢材料是不规则的话假设就不再成立了。如果是不规则的情况就要考虑地震输入角度的这个问题。因此，在下文中采用9 层的L 型钢材结构作为例子，分析多维反应谱组合状态下的结构变化状态以及这种结构的模态特征。这种研究可以为以后的科学中同种类型的钢结构抗震性能优化工作的开展，提供新的参考依据。

1.结构模型

近年，利用软件在大底盘模型进行的建模，分别构建不设置支撑工具的模型A、增设单斜杆支撑的模型B、设置X 型支撑的模型C。在软件中建立模型的时候，将模型的进深和开间设置为6m，其中进深设置为8 跨，开间设置为11 跨。采用的模型使用的数据是十五层的楼层，其中第一层到第三层高度设置为4.5m，第四层到第十五层高度设置为3.0m。此外，楼层的面板混凝土材料强度的设置为C30 等级，Q345 钢材，楼面板的厚度大约为120mm。模型框架中的梁采用的是工字钢，其型号主要为HW300mm×300mm×15mm×15mm；框架中的柱采用的是工字钢，其主要型号为HW400mm×400mm×30mm×50mm；结构支撑截面采用的是工字钢，其型号为HW250mm×250mm×9mm×14mm。这种材料能够适用的是抗震等级烈度为8 度的建筑物，其建筑物的为2 类场地的地段。楼面的载荷设置主要为：活载荷参数为2kN/m2，恒载荷参数为4kN/m2，边梁的均布载荷为8kN/m2。

2.结构对地震的可承受性

2.1 模态分析

计算机技术方面，本文采用有限元软件SAP2000，在上文所述的钢结构模型数据的基础上进行了模态分析。最后，得到了12 阶振性数据作为分析研究的基础。在对钢结构的动力性质进行研究的时候，主流的方法就是特征向量法和Ritz向量法。根据数据计算过程中的工作量和精准度特征，最后采用Ritz 向量法进行相关分析。

本试验所设置的模型A 的具体参数为第一振型Uy=0.7486（y 指的是朝y 方向去移动）；第二振型Ux=0.6486（x 指的是朝x 方向去移动）；第三振型Uz=0.4955（z 是朝着z 方向去移动）；第四振型sum（Ux）=99.97%，sum（Uy）=94.60%。依次设置的模型B 具体参数为第一振型Uy=0.8053（y 指的是朝y方向去移动）；第二振型Ux=0.7467（x指的是朝x 方向去移动）；第三振型Uz=0.6965（z 是朝着z 方向去移动）；第四振型sum（Ux）=99.99%，sum（Uy）=96.33%。模型C 具体参数为第一振型Uy=0.8148（y 指的是朝y 方向去移动）；第二振型Ux=0.7555（x 指的是朝x 方向去移动）；第三振型Uz=0.7250（z 是朝着z 方向去移动）；第四振型sum（Ux）=100%，sum（Uy）=97.43%。

模型A、B、C 具体的质量参与系数是全部都大于90%，这完全满足抗震建筑设计规范中的要求。然而，如果在大底盘L型钢结构中增加支撑结构的设置，钢结构的很多参数就会发生变化，尤其是自振周期的变化是最大的。研究三个模型最终得出的结果可以知道，钢结构自振周期最大的是模型A，自振周期最小的就是模型C，居中是模型B。也就是说，在对大底L 型钢结构进行增设支撑结构之后，钢结构对于地震作用的削弱效果更加显著，尤其是增加了X 型支撑之后钢结构性能的提高是最显著的。

2.2 反应谱分析

由于在实际情况下地震的发生机理复杂，因此结构对于地震响应的一些情况需要采用适用于处理复杂数据的反应谱分析。采用这种方法分析的具体步骤是：第一步使用动力学的原理方法去计算地震响应的程度，然后根据实际需求得出合适的反应谱曲线；第二步是使用静力学方面合适的方法去进行研究。因此，本文中的结论都是采用SAP200 软件计算结果总结得出的。

在通过反应谱分析相关数据后，发现当数据楼层数量增加了之后，每个模型的层移开始慢慢增加。如果增加支撑结构之后，所研究楼层的位移和位移角明显地减少，其中最为明显的就是X 型支撑的情况。

2.3 时程弹性分析

如果地震响应的实际情况需要更加高精度的结果，那么就需要采用时程分析的功能来解决。其原因是这种方法可以随时反映钢结构地震响应的程度。建筑物的场地类别、抗震设防烈度等要求决定了相对应的人工波和地震波。利用这种技术，可以得到每一种模型的层间位移和位移角，然后帮助研究曲线的可视化[3]。

在通过时程弹性分析相关数据得出的结果是，在最大底盘L 型钢结构增加支撑设施之后，钢结构的最大位移和位移角数值大小发生了很明显的下降。并且当支撑的设置不同的时候，结构位移和位移角的变化也不会不一样。X 型支撑和单斜杆支撑相比较，X 型支撑的优化性能会更好。

3.地震激励输入角度不同的影响作用

如果将地震的输入角度设置从0°改变为150°，那么钢结构的截面弯度就会变小，但是结构的弯矩就会明显变大；也就是说如果地震发生的方向发生变化，那么结构的截面中产生的同类型的内力就会立刻发生改变。因此，笔者认为单独的指标去衡量地震输入角度对于钢结构变化的影响是不科学的。这种规律也可以应用于考虑基底反力和节点位移响应。在实践过程中把钢材作为建筑材料的首选新材料，这样做的理由是钢材可以较好地适用于屈服准则，这种情况下可以考虑省略扭矩和截面剪切力对于结构抗震性能的影响。根据软件计算结果得出，当地震输入角度发生改变时，呈现出的规律是P 先减小后增加，另外它的最大值不是一定会出现在0°或者90°的。所以说如果仅仅使用简单的时程分析方法就想对L 型钢结构的抗震性能进行研究，这样是不可行的，也是不科学的。