型钢混凝土框架结构抗震性能分析--以某高校技术教育中心培训基地为例

陈琦，康小方 （.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 3003；.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 30009）

1 引言

近二十年来，型钢混凝土框架结构在我国大城市和特大城市的高层建筑和超高层建筑中得到了普遍应用和发展，成为工程建设中重要结构形式之一[1]。型钢混凝土框架结构具有抗震性能好、防火性能强和承载能力高的优点，成为了高层建筑超高层建筑中的主要结构形式之一[2-3]。这种结构形式不仅可以极大地提高建筑的稳定性并有效地减少建筑的自重和造价，同时，型钢混凝土框架结构也具有优异的可塑性和可加工性，可以满足不同建筑形式和不同建筑师的设计需求。型钢混凝土框架结构在高层建筑和超高层建筑中的应用也得到了工程界的高度认可，这种结构形式符合国家相关的建筑标准和规范，可以满足不同业主和用户的需要。在实际的工程应用中，型钢混凝土框架结构也展现出了良好的耐久性，为建筑的长期使用提供了强有力的保障[4]。

型钢混凝土框架结构中的型钢通常采用高强度钢材，具有很好的抗弯、抗扭和剪切强度，能够在受力时承受较大的压力和剪力。混凝土则具有很高的抗压强度和耐久性，能够承受较大的轴向压力和弯曲剪力。因此，在型钢混凝土组合结构中，型钢和混凝土的结合可以充分发挥两种材料的优点，提高结构的承载能力和抗裂性能[5]。由于型钢和混凝土各自材料的弹性模量不同，当结构受到地震作用时，两种材料可以相互协调，减小各结构构件的变形和应力集中情况，从而提升整体抗震性能。因其既拥有优秀的承载能力和抗裂性能，又具有良好的抗震能力，所以在建筑、桥梁、隧道等工程中得到了普遍的应用[6]。因此，应该对型钢混凝土组合结构进行细致的研究，揭示其结构的受力性能，并推广到工程实际应用中。

时程分析法是一种在地震工程领域中被广泛应用的数值分析方法，在模拟仿真结构受地震激励时是一种较为可靠的方法，主要通过模拟地震波在结构中的传播和反应来分析结构的抗震性能和安全性。相较于其他分析方法，时程分析法拥有更高的精度和可靠性，在模拟仿真结构受地震激励时，时程分析能够充分考虑地震波的随机特点和复杂性，同时模拟结构的动态特性和非线性反应[7]。通过时程分析法，可以评估结构在不同地震烈度下的反应，包括位移、应力、加速度等参数，从而为结构设计和优化提供科学依据。时程分析法还可以应用于地震预警系统以及地震应急响应计划的研究和制定中。采用模拟不同地震情景下的结构反应，可以帮助政府和相关部门制定更加有效的应急预案和措施，保障人民的生命财产安全。

本文使用MIDAS/GEN 有限元软件对某高校技术教育中心的培训基地项目进行抗震性能研究。首先，基于工程背景选取了两条典型的地震波和一条人工合成地震波；其次，建立有限元模型进行模态分析，分析型钢混凝土框架结构的动力特性；最后，基于有限元模型的时程分析，得到结构各部分的位移响应和内力变化。

2 工程概况

本工程为某高校技术教育中心的培训基地项目，总建筑面积5539.25m2，抗震设防烈度6 度，设防类别为重点设防类，建筑有效使用年限为50 年。项目建筑面积为1793.37m2。项目分为南北两部分，北侧实训楼为框架结构，南侧报告厅中间部位的大跨度采用型钢混凝土框架结构，其中型钢混凝土梁截面规格为650mm×1300mm，梁底钢筋配筋率约为1.5%，型钢混凝土梁平面布置图如图1所示。

图1 型钢混凝土梁平面布置图

3 地震波选取

在进行时程分析中，地震波的选择是十分关键的一步。地震波是发生地震时，从震源传播出去的振动波，反映了地震能量的传递过程。弹塑性时程分析是一种重要的地震工程分析方法，主要用于评估结构在地震作用下的反应。为了确保分析结果的准确性可靠，需要根据实际工程需求选择合适的地震波数据。在选取地震波时，应考虑其地震强度。地震强度是指地震波所携带的能量大小，通常用震级或地震烈度来表示。其次，地震波的选取还需要考虑其频谱特性，地震波的频谱特性反映了地震波的不同频率成分。对于弹塑性时程分析，一般地震波的频谱特性分为三种，即随机振动、平稳振动和脉波的随机特性，脉波的随机特性适用于评估结构的随机响应；平稳振动模拟了地震波的持续时间较长、能量集中在较低频率的特性，适用于评估结构的持续振动响应；脉冲振动则模拟了地震波的瞬间到达、能量集中在较高频率的特性，适用于评估结构的瞬态响应。此外，在选取地震波时，还需要考虑其持续时间和周期，周期则反映了地震波的动力特征。根据结构的抗震性能和地震波的传播特性，需要选取合适的持续时间和周期范围的地震波[8]。

地震是一种极其复杂的地面运动，且具有突发性和不确定性的特点，地震波通常由震中向外扩展。由于不同建筑物所受地震波强度不同，同一地震作用下建筑物不同部位可能表现出不同破坏特征及程度，这一现象是地震波在介质中传播所引起的。另外，因不同地震波作用于建筑物的效果不一，故地震波选取一般需考虑场地及建筑物特性，一般可选用真实地震记录及典型强震记录地震波。根据项目的工程水文地质数据、《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)的规定以及地震波选择原则，本文选择了两条典型的地震波和一条人工合成地震波分析，即EL-Centro 地震波和Taft地震波进行地震分析，选用地震波的加速度时程曲线如图2所示。

图2 加速度时程曲线

4 有限元模型建立

MIDAS/GEN 软件的建模方法是节点-线-面，并设置单元特征和构件材料属性。通过单元的建立、边界条件的定义、自重荷载的定义、活荷载的布置以及其他程序实现结构有限元模型的建立。运用有限元软件对型钢混凝土框架结构模型开展力学研究，主要是为了描述实际工程系统中的数学行为，即分析对象为精确物理原型数学模型，且模型包含实际工程结构的全部节点、单元、边界条件等描述实际工程结构物理系统所需要的要素。本文有限元模型的单元类型主要包含梁、板单元。通过梁单元建立梁、柱节点的有限元模型，每个梁单元由2个节点组成，能够承受拉压、屈曲、扭转变形，单元具有三维受力特征。每个板单元由4 个节点组成，同样具有三维受力特征。

有限元模型结构的恒荷载包含梁柱等结构件的自身重量、填充墙重量，材料参数根据相应规范赋值，结构自身重量由MIDAS/GEN 软件自动生成，根据MIDAS/GEN 软件建立的有限元模型如图3所示。

图3 型钢混凝土框架结构的有限元模型

5 结构模态分析

在结构动力学领域，正演问题通常是从建立一个数值模型开始的，该模型描述了所考虑的系统及其物理性质，通常是计算数值模型的模态解。因而，在对型钢混凝土框架结构开展抗震性能研究之前，应对结构的动力特性进行分析。型钢混凝土框架结构的动力特征是由其模态参数表征的，即其固有频率、模态振型和阻尼比。

对于型钢混凝土框架结构无阻尼的自由振动（即所有外力为零，不考虑阻尼影响），其运动方程如下：

式中，[M]和[K]分别为质量矩阵和刚度矩阵。

对于多自由度体系的自由振动特征方程可表述为：

式中，ω和{δ0}分别为固有频率和固有振型，其数值由质量矩阵和刚度矩阵确定。

通过前文MIDAS/GEN 有限元软件构建型钢混凝土框架结构的动力特性分析模型，给出型钢混凝土框架结构前15阶的自振频率和周期，如表1 所示，结构前三阶振型如图4所示。

表1 型钢混凝土框架结构前15阶自振特性

图4 结构前三阶振型

6 时程分析

6.1 时程分析与反应谱分析比较

基于上章给出的三条地震波，对钢型钢混凝土框架结构有限元模型进行时程分析和反应谱分析，得到了地震波下的结构地震响应数据，如表2所示。

表2 钢型钢混凝土框架结构基地反力对比

参考《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2016）中关于结构弹性时程分析的规定，通过时程曲线进行分析得到的结构底部剪力值需要大于等于反应谱法分析结果的65%，结构底部弯矩值均值应大于反应谱法分析结果的80%[9]。表中数据表明，选取的两条典型的地震波和一条人工合成地震波是符合规定的。

6.2 地震对结构内力的影响

通过两条典型的地震波和一条人工合成地震波对型钢混凝土框架结构进行弹性时程分析，得到不同地震作用下结构弯矩图，如图5所示。

图5 不同地震作用下结构弯矩图

由云图可知，在钢混凝土框架结构Y 方向中，型钢混凝土梁承担了较大的弯矩。在Taft 地震波工况下，型钢混凝土梁的Y 方向弯矩值最大；在ELCentro 地震波工况下，型钢混凝土梁的Y 方向弯矩值最小。从结构整体内力分析来看，型钢混凝土梁将承担更大的结构内力。

6.3 地震对型钢混凝土梁结构位移的影响

为了研究地震激励下型钢混凝土框架结构各部位的位移响应，针对模型后处理结果中的B31、B32、B41、B42、B51和B52 节点进行分析，得到了在ELCentro 地震波、Taft 地震波和人工合成波工况下，各节点Z 方向的位移绝对值最大值见表3，其中B31 的位移时程曲线如图6所示。

表3 梁节点地震Z方向位移绝对值最大值（单位：mm）

图6 不同地震作用下B31节点的Z方向位移时程曲线

7 结论

本文基于MIDAS/GEN 有限元软件对某高校技术教育中心的培训基地项目进行抗震性能研究。利用MIDAS/GEN有限元软件建立有限元模型，研究型钢混凝土框架结构的动力特征，对结构的固有频率和相应的振型进行分析。通过两条典型的地震波和一条人工合成地震波对型钢混凝土框架结构进行模态分析和时程分析，得出如下结论。

①基于反应谱法的计算结果，选取的三条地震波时程曲线是符合抗震规范要求的，能够为项目结构设计提供参考。

②从结构整体内力分析着，型钢混凝土梁将承担更大的结构内力。在地震作用下，结构Y 方向的弯矩值最大位于型钢混凝土梁处；在Taft地震波工况下，型钢混凝土梁的弯矩值达到最大；在EL-Centro地震波工况下，弯矩值最小。

③EL-Centro 地震波与Taft 地震波和人工地震波相比，在每个节点位置的Z 方向上的最大绝对位移值更高，而型钢混凝土梁结构在受到人工波激励时，在各个节点位置的Z 方向上的最小绝对位移值最小。