基于ETABS软件的型钢-混凝土结构抗震性能分析

于建东，葛楠

(华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063210)

引言

同等截面条件下型钢混凝土相比于钢筋混凝土具有更大的承载力和刚度；相比于同等条件下的钢结构，型钢混凝土具有防火性能好，稳定性好和节省钢材的优点。因此，推广采用型钢混凝土框架结构，对我国提高建筑结构抗震性能具有重要的意义。型钢混凝土结构在国内的建筑结构中已得到较多应用，如银泰时代中心[1]、重庆国瑞中心塔[2]。

徐培福[3]对30层型钢混凝土框架—核心筒结构进行了拟静力试验，得出了型钢混凝土框架—核心筒结构具有很好的稳定性和延性。薛建阳[4]采用拟静力试验，对型钢混凝土和钢筋混凝土框架结构节点进行分析，结果表明型钢混凝土节点的延性及抗震性能更好。郑山锁[5]将不同轴压比、不同混凝土强度等级的5榀型钢混凝土框架结构进行试验比较，得出由于型钢的原因使高强混凝土也能满足抗震设计要求。薛建阳[6]将型钢混凝土异形柱按“9层边-4角-4中”节点的形式进行低周往复加载试验，主要呈现节点的剪切斜压和弯剪破坏。熊学玉[7]对2榀单跨预应力型钢混凝土框架进行静力试验，得出预应力型钢混凝土框架结构相对于普通混凝土框架结构调幅值达到30%的结果。

由于《中国地震动参数区划图》[8](GB18036-2015)首次提到并且给出了极罕遇地震的指标，所以有必要对型钢混凝土柱框架结构进行强震抗震研究。该项研究对一栋采用型钢混凝土柱-钢筋混凝土梁的6层框架结构利用分析程序ETABS采用振型分解反应谱法和动力弹塑性法进行罕遇地震及极罕遇地震分析，根据计算结果评价型钢混凝土柱结构的抗震性能。

1 结构概况

为了验证型钢混凝土结构抗震性能，取某型钢混凝土框架结构，抗震等级为2级，建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2 g，场地设计地震分组为第一组，场地类别为II类，特征周期为Tg= 0.35 s，阻尼比为0.5，结构为6层，高为18 m，宽为42.5 m。各层柱截面尺寸600 mm×600 mm，H型钢360 mm×360 mm×18 mm×23 mm，梁截面600 mm×400 mm，楼板厚度采用150 mm。梁、柱均采用C40混凝土。

图1 型钢混凝土柱框架结构平面图 图2 型钢混凝土框架结构三维布置图

2 反应谱分析

地震作用反应谱分析本质上是一种拟动力分析方法，也是一种统计方法，通过动力分析结构对地震效应的影响，再通过统计的方法形成反应谱曲线，对于反应谱分析振型组合分析，一般有CQC法、SRSS法、ABS法等组合方法，该项研究采用CQC法进行地震作用组合[9]。

2.1 8度(0.2 g)罕遇地震反应谱分析

根据《建筑抗震设计规范》[10](GB50011-2010)第5.1条，结构抗震设防烈度为8度(0.2 g)，场地设计地震分组为第一组，场地类别为II类，罕遇地震作用下，结构水平地震影响系数最大值为0.9，根据《中国地震动参数区划图》[8](GB18036-2015)，由插值法求得极罕遇地震的影响系数最大值为1.5。根据《建筑抗震设计规范》[10](GB50011-2010)第5.1条规定，罕遇和极罕遇地震作用下，其特征周期均需要增加0.05 s。通过反应谱分析得到8度(0.2 g)罕遇地震和极罕遇地震作用下，该结构在X方向和Y方向的水平侧移情况。

通过8度(0.2 g)罕遇地震反应谱分析，分别在X和Y方向得到的层剪力、层间位移角、楼层位移如表1所示。

表1 罕遇地震反应谱分析数据

2.2 8度(0.2 g)极罕遇地震反应谱分析

极罕遇是相应于年超越概率为10-4的地震动。根据《中国地震动参数区画图》[8](GB18036-2015)6.2条规定，取基本地震动加速度数值的2.7～3.2倍为极罕遇地震动条件下峰值加速度。

通过8度(0.2 g)极罕遇地震反应谱分析，分别在X和Y方向得到的层剪力、层间位移角、楼层位移如表2所示。

表2 极罕遇地震反应谱分析数据表

从以上的结果分析可知：

(1)在罕遇地震和极罕遇地震状态下，层位移逐渐增大，最大值分别为53.09 mm和101.39 mm，结构变形较小，能反应出型钢混凝土框架结构稳定性较好。

(2)在罕遇地震和极罕遇地震状态下，层间位移角最大值为1/246 rad和1/129 rad，均小于1/50 rad，满足“大震不倒”的标准。

(3)从罕遇地震和极罕遇地震状态下，层剪力均匀分布并逐渐减少，并且X方向剪力均稍小于Y方向剪力，说明X方向吸收地震力作用强。

3 动力时程分析

虽然运用反应谱分析方法具有很多优点，但其方法本质是拟动力分析方法，不是结构的真实动力响应，只是对结构的动力响应的最大值进行估算；时程分析是更加真实的动力分析，动力平衡方程形式如式(1)所示[11]：

(1)

时程分析的积分方式有模态积分和直接积分，模态积分是通过以模态分析结果为基础的，通过不同的模态积分求解得到结构的响应值，模态积分又称为FNA，本例采用FNA方法[12]。

3.1 地震波的选取

图3为8条地震波反应谱对比图

图3 地震波反应谱对比图

图3中运用ETABS软件采用FNA法对结构计算模型进行地震作用下的动力时程分析，并进行比较。根据《建筑抗震设计规范》[10](GB50011-2010)规定，当取7组以上的时程曲线时，采用时程分析法的平均值和振型分解反应谱法的较大值，作为计算结果。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第5.1.2条[10]规定，利用PKPM地震数据生成器EQW64，生成地震波的加速度反应谱，并和规范加速度谱画在同一张图里。

3.2 8度(0.2g)罕遇地震作用

按照《建筑抗震设计规范》[10](GB50011-2010)规定，调整地震波加速度峰值，罕遇地震的加速度为0.9 g，且约为多遇地震的5.6倍，所以在8度(0.2 g)罕遇地震下，将加速度峰值调整到400 cm/s2，各地震波调整系数如表3所示。

表3 地震波调整系数

分别在X方向和Y方向施加地震力。得到的基地剪力如表4所示。

表4 罕遇地震作用下基底剪力

从表4中可知，结构X向和Y向单条时程曲线的基底剪力最大比值分别为112%和112%，满足65%～135%的要求，所有时程曲线基底剪力平均比值分别为95%和96%，满足80%～120%的要求[10]。

得到的楼顶位移与最大层间位移角如表5所示。

表5 罕遇地震作用下楼顶位移与最大层间位移角

从表5中可知，结构的X向和Y向的最大层间位移角值为1/180和1/187，满足框架结构在罕遇状态下对结构层间位移角应小于1/50的要求，主要是控制结构在地震作用下的水平位移，满足“大震不倒”的标准。图4所示为罕遇地震下X和Y方向曲线。

3.3 8度(0.2 g)极罕遇地震作用

根据《中国地震动参数区划图》[8]6.2条规定：取基本地震动加速度数值的2.7～3.2倍为极罕遇地震动条件下峰值加速度。

在8度(0.2g)极罕遇地震下，将加速度峰值调整到600 cm/s2，各地震波调整系数如表6所示。

表6 地震波调整系数

分别在X方向和Y方向施加地震力。得到的基地剪力如表7所示。

表7 极罕遇地震作用下基底剪力

从表7可知，结构的X向和Y向单条时程曲线的基底剪力最大比值分别为101%和101%，满足65%～135%的要求，所有时程曲线基底剪力平均比值分别为85%和87%，满足80%～120%的要求[10]。

得到的楼顶位移与最大层间位移角如表8所示。

表8 极罕遇地震作用下楼顶位移与最大层间位移角

从表8中可知，结构X向和Y向的最大层间位移角值为1/120和1/120，满足框架结构在罕遇状态下对结构层间位移角应小于1/50的要求，主要是控制结构在地震作用下的水平位移，满足“大震不倒”的标准。

图5所示为极罕遇地震下X和Y方向曲线。

从各地震波作用下结构基底剪力、层剪力、层间位移角和最大顶点位移结果中可以看出，各层之间的相对位移保持基本不变。层间位移角曲线变化光滑，说明结构未产生新的刚度突变，使结构处于平稳状态，说明型钢混凝土结构具有较好的抗震性能。

4 结论

(1)在高烈度强震作用下，层间位移角的大小远远小于1/50，说明型钢混凝土框架结构有很好的抗震性能，满足“大震不倒”的标准。

(2)型钢混凝土框架结构的X向层剪力均小于Y向层剪力，满足X方向是主方向吸收地震力作用。推动了型钢混凝土结构在以后工程上投入使用。