鋼骨-鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能比較

譚燕秋,韓旭飛,史三元,張宏磊

(1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北邯鄲 056038;2.中國(guó)新興保信建設(shè)總公司,北京 100079)

鋼骨-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中置入鋼骨而形成的一種新型結(jié)構(gòu)形式[1-2],通過鋼管、鋼骨和混凝土三者協(xié)同工作可提高構(gòu)件的承載力、延性及耐火性,減小構(gòu)件截面尺寸,增加建筑物使用空間。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼骨-鋼管混凝土抗震性能的研究還主要集中在基本構(gòu)件方面[3-7],對(duì)組合框架整體結(jié)構(gòu)抗震性研究尚不完善[8-11]。本文采用SAP2000有限元分析軟件對(duì)2棟8層鋼骨-鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析,并對(duì)2類結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的位移和加速度進(jìn)行比較,為該類結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

彈塑性時(shí)程分析法是將結(jié)構(gòu)視為彈塑性振動(dòng)體系,直接按照地震波數(shù)據(jù)輸入地面運(yùn)動(dòng),通過相應(yīng)積分方式求得結(jié)構(gòu)在每一時(shí)刻的動(dòng)力響應(yīng)。時(shí)程分析的積分方式有多種,本文采用HHT積分法。

多高層建筑在水平地震作用下,產(chǎn)生的平面振動(dòng)微分方程為

式中[M] —質(zhì)量矩陣;[K] —結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度矩陣;[C] —阻尼矩陣。

2 模型分析

2.1 建立

建立二維平面框架結(jié)構(gòu)模型,并利用SAP2000有限元分析軟件分別對(duì)鋼骨-鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性分析和動(dòng)力響應(yīng)分析。

分析模型為8層鋼骨-鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)(如圖1所示),模型層高3 m,柱距8 m,鋼梁截面采用H600 mm×300 mm×14 mm×23 mm,鋼材為Q345。鋼骨-鋼管混凝土柱截面為400 mm×400 mm,鋼材為Q345,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,鋼管壁厚20 mm,鋼骨為H300 mm×300 mm×12 mm×12 mm;鋼管混凝土柱截面為400 mm×400mm,鋼材為Q345,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,鋼管壁厚20 mm。在SAP2000中,框架梁柱構(gòu)件由桿單元模擬。該結(jié)構(gòu)按8度抗震設(shè)防,場(chǎng)地類別為Ⅱ類,設(shè)計(jì)地震分組為第二組,場(chǎng)地特征周期為0.40 s,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g。分析2類結(jié)構(gòu)在多種地震波作用下的地震反應(yīng)。

2.2 動(dòng)力特性分析

表1給出了鋼骨-鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)與鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的前10階自振周期。可以看出,鋼骨-鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的自振周期明顯小于鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu),剛度較鋼管混凝土結(jié)構(gòu)有所增加,故在建筑結(jié)構(gòu)中構(gòu)件截面尺寸一定的情況下,較鋼管混凝土結(jié)構(gòu),鋼骨-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)可使構(gòu)件剛度更大,抗震性更好。

表1 結(jié)構(gòu)的前10階自振周期Tab.1 Top 10 order nature periods of the structures s

表2 兩類結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)層間位移最大值Tab.2 Maximum displacements of two kinds of structures mm

2.3 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

1)位移分析。表2給出了在不同地震波作用下兩類結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)層間位移最大值?？梢钥闯?鋼骨-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下,層間位移值均出現(xiàn)在頂層,但鋼骨-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的層間位移均小于鋼管混凝土結(jié)構(gòu),在El Centro波、蘭州波、唐山波作用下,頂層的層間最大位移角分別為 l/19 600、1/42 692、1/17 773,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)頂層的層間位移最大值分別為 1/15 959、1/42 070、1/8 850,均未超過規(guī)范的層間位移限值1/550,但鋼骨-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)頂層的層間最大位移角明顯小于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。從上面的分析,鋼骨-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于剛度較大且剛度退化速度小,對(duì)地震的響應(yīng)弱于鋼管混凝土結(jié)構(gòu),即抗震性能優(yōu)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。

2)加速度分析。兩類結(jié)構(gòu)頂層在3種地震波作用下的加速度時(shí)程曲線如圖3所示。由計(jì)算結(jié)果知,El Centro波作用下鋼骨-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)頂層的最大絕對(duì)加速度為1.904 m/s2,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)頂層的最大絕對(duì)加速度為1.961 m/s2;蘭州波作用下鋼骨-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)頂層的最大絕對(duì)加速度為0.697 m/s2,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)頂層的最大絕對(duì)加速度為1.126 m/s2;唐山波作用下鋼骨-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)頂層的最大絕對(duì)加速度為2.175 m/s2,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)頂層的最大絕對(duì)加速度為2.474 m/s2。由此可知,在3種地震波作用下,鋼骨-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的水平向加速度峰值均比鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的加速度峰值有所降低。

3)基底剪力分析。表3給出了2類結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下基底剪力最大值。

表3 兩類結(jié)構(gòu)基底剪力最大值Tab.3 Maximum shear force of the bottom of two kinds of structures N

由表3可知,鋼骨-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的基底剪力最大值均小于鋼管混凝土結(jié)構(gòu),說明其剛度退化速度慢于鋼管混凝土結(jié)構(gòu),對(duì)地震的遲滯作用好于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

1)鋼骨-鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的層間位移最大值、頂層的最大層間位移角均比鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)小,說明鋼骨-鋼管混凝土框架抵抗水平地震作用的能力優(yōu)于鋼管混凝土框架。

2)從2類結(jié)構(gòu)頂層的加速度時(shí)程曲線來看,鋼骨-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)地震的響應(yīng)要弱于鋼管混凝土結(jié)構(gòu),說明其抗震性能更好。

3)在不同地震波作用下鋼骨-鋼管混凝土框架的基底剪力最大值小于鋼管混凝土框架,說明鋼骨-鋼管混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)地震的遲滯作用好于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。

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