偏心支撐在高烈度地區(qū)框架結構體系中的運用

偏心支撐在高烈度地區(qū)框架結構體系中的運用園林,建筑,規(guī)劃與結構設計墟耐固蓑窿2011年o3月

偏心支撐在高烈度地區(qū)框架結構體系中的運用

1概述

張偉玉

1.1工程概況

某商業(yè)廣場項目位于宿遷市府新區(qū).整體設一層地下室,地

上設多個單體,其中BO1棟地上部分主屋面高度25.5m,采用帶

偏心支撐的框架結構體系.地上五層,平面尺寸約78x138m,建

筑平面見圖1.

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圖1B01棟建筑平面

1.2抗震設防基本參數(shù)

表1抗震設防基本參數(shù)

抗震設防烈度1設計基本地震加速度}設計地震分組1建筑場地類別1特征周期

Ⅷ度lo.3gJ第一組lⅢ類10.45s

1-3結構方案的選擇

B01棟地上五層,單層建筑面積約10500m,基本柱網(wǎng)為

10.5x10.8m,周邊外挑3.5m左右,柱數(shù)量相對一般柱網(wǎng)尺寸的

建筑要少,單柱受荷面積較大;同時,本工程地處Ⅷ度(0.3g)抗

震設防烈度區(qū),場地土類別為Ⅲ類,采用純框架結構時,經(jīng)試算,

剪重比超過14%,地上一層柱需要做到1300x1300的截面,對建

筑功能有嚴重影響.

由于建筑功能為大型商場,室內空曠,僅在樓梯間周邊有建

筑墻體,若采用框架剪力墻結構體系,可布置抗震墻的位置有

限.經(jīng)對框剪結構體系驗算,位移角按1/80o控制,第一自振周

期0.55s,接近場地土特征周期0.45s,剪重比接近20%,底部500

厚墻體普遍抗剪截面超限.

從結構角度講,本工程地處高烈度區(qū),較適宜采用自重輕的

鋼結構體系,位移角限值也較寬松,鋼結構抗震性能好.但考慮

到鋼結構防火,防腐費用的增加和后期維護等實際問題,未采用

鋼結構體系.最后確定結構形式為帶偏心支撐的框架結構.

偏心支撐框架的設計理論較成熟,是在中心支撐框架的基

礎上將支撐桿的一端水平偏心形成消能梁段,綜合了中心支撐

框架的強度,剛度和抗彎框架的非彈性性能及能量耗散能力的

?

98?

優(yōu)點.本工程采用的三種偏心支撐框架形式見圖2:(a)D形

EBF,(b)人字形EBF支撐,(c)V形EBF支撐.

,

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ta}m{cj

圖2偏心支撐框架簡圖

偏心支撐框架原理為主動利用消能梁段塑性鉸作為消能單

元,在循環(huán)荷載作用下的非彈性性能僅被限制在消能梁段發(fā)生,

從而吸收和耗散大量的能量,避免在支撐和相連接的柱上出鉸,

保護框架梁柱節(jié)點,提高結構延性性能和耐震性能,是強震區(qū)的

一

種較合適的結構體系.

方案階段對減震框架和偏心支撐框架兩種結構方案進行了

比較分析,在抗震性能接近的條件下,減震框架的造價明顯較

高,結合業(yè)主意見,最終確定采用帶偏心支撐的框架結構體系.

1-4關于偏心支撐體系的說明

本工程偏心支撐體系的消能梁段及其同跨非消能梁段采用

焊接組合H型鋼截面,消能梁段長度a取0.15L(L為支撐所在

跨的鋼梁長度),按剪切屈服型消能梁段設計.在小震作用下,以

鋼梁腹板剛好達到抗剪彈性極限承載力為原則,通過調整支撐

體系的榀數(shù)和焊接組合鋼梁的截面尺寸匹配各層所需抗側承載

力.在大震作用下,D形,V形EBF支撐消能梁段受剪屈服先于

受彎屈服或受彎不屈服,人字形消EBF支撐能梁段僅發(fā)生受剪

屈服.

支撐所在跨的框架柱采用鋼骨混凝土柱,以提高其承受較

大豎向力的承載能力和延性.支撐采用矩形鋼管截面,長細比滿

足《抗規(guī)》8.5節(jié)關于框架一偏心支撐結構抗震構造措施控制長細

比的要求.型鋼,鋼梁和支撐采用Q345B級鋼.消能梁段和支撐

的主要截面見表2.

表2偏心支撐體系消能梁段和支撐截面表

鋼粱鋼梁截面鋼支撐截面焊接口c>鋼支撐編號

編號焊接Hhxbxtwxffhftr

GL4焊接H650x350x12x258BR4焊接口330x14

GL3焊接H800X400~16x301OBR3焊接口380x14

GI2焊接H900x400x16x3010BR2焊接口380x16

GL1焊接H950x400x20x3012BRl焊接口380x20

2基本設計參數(shù)

根據(jù)規(guī)范的相關條文要求,B01棟結構分析及設計采用的

2011年03月匿赫國曩商園林,建筑,規(guī)劃與結構設計

基本參數(shù)見表3.

表3抗震設計基本參數(shù)

項目BO1棟

設計基準期5O年

設計使用年限50年

安全等級二級

結構重要性系數(shù)1.O

地上層數(shù)(高度)五層(25.5m)

地下室層數(shù)(高度)地下～層(5.7m)

抗震設防類別重點設防類

結構體系帶偏心支撐框架

抗震設防烈度Ⅷ度

設計基本地震加速度0.30g

設計地震分組第一組

場地類別.III類

抗震措施一級抗震等級

構造措施一級

特征周期0.45s

彈性阻尼比0.045

周期折減系數(shù)0-8O

常遇地震0.24

水平地震影響系數(shù)偶遇地震0

.

675最大值～

罕遇地震1.20

注:以地下室頂部作為上部結構的嵌固端.

3結構抗震性能目標

3.1層間位移角限值

v根據(jù)《抗規(guī)》表5.5.1對彈性層問位移角限值的規(guī)定,各類全鋼

結構房屋的彈性層間位移角限值均為1/300.本案帶偏心支撐框

架結構體系的支撐與鋼梁均為鋼結構,支撐所在跨的框架柱為

鋼骨混凝土構件,其它框架梁柱均為鋼筋混凝土構件.參照《抗

規(guī)》表5.5.1,并考慮到支撐對剛度的提高作用,取小震作用下位

移角限值為1/650,比鋼筋混凝土框架結構位移角限值有所提

高.

《抗規(guī)》對中震作用下的結構性能沒有提出量化指標.美國

SEAOC的vision2000委員會對建筑物基于性能的抗震工程中,

結構在不同性能水平下的側移見表4.

表4vision2000建議的結構性能側移限值

破壞狀態(tài)I沒有破壞l可修復l不可修復l嚴重破壞

最大側移角J1/500J1/20011/67J1/40

參照上表,中震作用下位移角限值偏安全地取1/250.

((抗規(guī)》表5.5.5對彈塑性層問位移角限值:各類全鋼結構房

屋和鋼筋混凝土框架結構均為1/50.本工程大震作用下位移角

限值也確定為1/50o

3.2抗震性能要求

根據(jù)規(guī)范抗震設防精神,結合結構不同部位構件的重要性,

并參考了類似工程的設計經(jīng)驗,本工程抗震性能目標見下表5.

地震水準多遇地震(小震)偶遇地震(中震)罕遇地震(大震)

性能等級沒有破壞有破壞但可修補不可倒塌

允許層問位移角1,6501/25ol,5O

框架柱性能彈性可低階段屈服控制塑性轉角

框架梁性能彈性可低階段屈服控制塑性轉角

消能梁段性能彈性塑性消能塑性消能

支撐性能彈性不屈服,不屈曲不屈服,不屈曲

3_3抗震性能保證措施

本工程主要采取了以下三項措施來保證結構的安全性:①

基于性能的抗震設計方法;②采用兩種不同計算模型的結構軟

件分析設計;③采用靜力彈塑性推覆分析判別在中震和大震作

用下的抗震性能.

本工程屬于偏低高度建筑,高寬比小,從反應譜分析結果反

映的地震力為倒三角分布,適合采用靜力彈塑性推覆分析了解

其抗震能力.

4B01棟結構兩種分析軟件小震彈性計算結果

比較

4.1計算軟件及計算模型

結構分別采用SATWE(2007版)和ETABS(9.2.0)兩種不同

力學模型的三維空間分析軟件進行計算.模型中包含了地上5層

和地下室,以給出更準確的分析結果.模型在首層以及地下室樓

層約束水平位移,模型中的結構構件按照結構圖紙進行布置.兩

種模型輸入相同參數(shù),并對主要方向的地震和風荷載都進行了計

算,由于風荷載效應很小,比較時著重考慮地震作用計算結果.

4.2結構自振周期和振型

SATWE和ETABS均計算了結構的前15階振型振型與周

期計算結構見表6.兩種軟件的計算結果相近,相差在5%以內;

振型參與質量均不小于總質量的90%,滿足規(guī)范要求.

表6SATWE和ETABS結構振型對比

SATWEETABS振型

周期振型系數(shù)(x+Y+扭轉)周期

l0.73660.08+0.92+0.OO0.7352

20.71480.92+0.08+0.000.7173

3O.66l9O.o0+0.00+1.0O0.6560

總質量(t)1O4453106600

有效質量系數(shù)(前15階)l97.71%(X向),97.71%(Y向)98%(x向),98%(Y向)

剪重比l6.28%(x向),15.86%(Y向)17.2%o(向),16.8%(Y向)

4.3結構位移與位移比

小震作用下結構的位移主要計算結果見表7.

項目x向地震Y向地震

結構頂點最大位移SATWE34-3235.28

(run)ETABS42.936.2

最大層間位移角(樓SATWE1,6691/652

層)ETABS1/6561/645

偶偏地震下最大位SATE1.031.05

移比ETABS1.041.O7

兩種軟件的計算結果比較接近,基本符合1/650的位移角

限值要求.其它各指標也均符合規(guī)范要求.

4.4振型質量參與系數(shù)

ETABS振型質量參與系數(shù)計算結果見表8

表8ETABS振型質量參與系數(shù)

振型X向平動質量Y向平動質量扭轉振動質量

第1振型5.66%76.13%0.04%

第2振型76l33%5.67%1.26%

第3振型0.1%081.34%

第4振型O.57%11.59%0.05%

第5振型l1.67%0.56%O.13%

第6振型O.01%0.O5%11.53%

?99?

園林,建筑,規(guī)劃與結構設計建硒圈蒜礴2011年03月

可見兩個方向平動振型質量參與系數(shù)超過75%,主振型效

應明顯,符合本結構特點.

綜合上述比較結果,本模型建模準確,分析結果可靠,結構

體系能滿足小震作用下的性能要求.

5B01棟結構靜力彈塑性推覆分析

5.1分析目的

進行本結構的靜力彈塑性推覆分析主要達到如下目的:

(1)揭示結構彈塑性性能表現(xiàn)和結構彈塑性變形行為;

(2)判斷結構是否存在薄弱層或薄弱部位以及薄弱程度;

(3)評價結構在中震和大震下的彈塑性行為,根據(jù)主要構件

的塑性損傷情況和整體變形情況,判定結構是否滿足”中震可

修,大震不倒”的抗震設防目標;

(4)提示結構的屈服發(fā)生發(fā)展過程.

5.2分析方法

5.2.1塑性鉸參數(shù)

本工程采用ETABS軟件進行靜力彈塑性推覆分析,鋼構件

截面預先設定并經(jīng)驗算滿足規(guī)范要求,鋼筋混凝土構件的配筋

由軟件對小震下的振型分解反應譜法分析得到,并通過調整內

力系數(shù)使計算配筋與施工圖實配鋼筋基本接近.采用程序提供

的缺省塑性鉸本構模型,根據(jù)計算鋼筋面積自動生成塑性鉸參

數(shù).

將型鋼混凝土柱以等剛原則代換為鋼筋混凝土柱,并將柱

內型鋼按等強原則代換為鋼筋.按以下方式指定塑性鉸:

(1)地上1層,2層和開始變截面的4層框架柱上下兩端指

定PMM(軸力+雙向彎矩)鉸,地上1層框架柱下端增加指定V2

(主剪力)鉸;

(2)指定地上2層,3層樓面框架梁兩端M3(主彎矩)鉸,2

層樓面框架梁兩端增加指定V2(主剪力)鉸;

(3)在偏心支撐體系的消能梁段中部指定V2(主剪力)鉸;

(4)與柱連接的消能梁段上,近柱一端指定PM3(軸力+主彎

矩)鉸;

(5)鋼支撐中部指定P(軸力)鉸.

5.2.2反應譜參數(shù)

進行彈塑性大震分析時,根據(jù)《抗規(guī)》5.1.4條的規(guī)定,場地

特征周期增加0.05s,即取Tg--0.5s;考慮到結構體系中含有部分

鋼構件,阻尼比取∈=0.04于偏低高度建筑,前兩階主要振型質量參與

系數(shù)超過75%,采用振型荷載(倒三角形荷載)模式施加側推荷

?100?

地震方向x向Y向

主振型周期0.7173s0.7352s

地震水準小震中震大震小震中震大震

水平地震影響系數(shù)0.240.6751.2OO.240.6751-2O

CvO.13O_360.64O.13O36064

CA0.1O0.290.520.1O0.29O.5l

載.

5-2.4Push—over分析荷載工況

首先定義重力荷載代表值作用下的非線性分析作為Push—

Over分析第一工況,分析控制方式為力控制;各方向側推水平荷

載及其組合作為其它工況,以位移控制方式控制分析過程.主要

Push—over工況有:

(1)重力荷載代表值非線性靜力分析;

(2)重力+振型2(X向)非線性靜力分析;

(3)重力+振型1(Y向)非線性靜力分析.

在第2工況和第3工況分析中均考慮P一△效應.

5_3分析過程及結果

各方向推覆分析過程主要包括以下兩步:

第一步:施加重力荷載代表值非線性工況;

第二步:維持第一步荷載不變,采用設定的荷載模式,用單

調增加水平荷載進行靜力彈塑性推覆分析.

5.4分析結果概述

以下主要從結構性能點(需求譜與能力譜曲線交點),V—u

曲線,層間位移角,塑性鉸的分布與出現(xiàn)過程等方面對本結構的

抗震性能進行說明.

5.4.1從位移角與性能點分析結果得出結論

(1)本結構在對應各地震水準的推覆工況下層間位移角均

滿足限值要求,其中大震水準下的最大層問位移角約1/80.

(2)X向抗側移剛度較Y向大,這與x向有13跨柱網(wǎng)而Y

向僅7跨柱網(wǎng)有關.

(3)X向中震作用下,整體剛進入屈服階段;大震作用下,處

于整體屈服階段的中部.

(4)Y向中震作用下,整體僅表現(xiàn)出較低水平的屈服;大震

作用下,也是剛進入屈服階段.

5.4.2從塑性鉸發(fā)生與發(fā)展分析結果得出如下結論

通過對本結構的靜力彈塑性結果進行分