某钢结构综合楼抗侧移性能研究

某钢结构综合楼抗侧移性能研究

潘志鹏陈世云

1.HMD陕西汉米敦建筑设计有限公司710000；2.陕西建工第五建设集团有限公司710000

一、结构概况

1．性能目标：

建筑所在地设防烈度为7度，场地类型为Ⅱ类地，但风荷载较大。在满足建筑使用功能和结构经济性的前提下，依据规范的各项要求对本结构提出了如下设计目标：

1）地震作用下：

小震：建筑结构完好，继续保持建筑和设备功能，层间位移不得大于层高的1/250。

中震：结构的关键和重要构件仍能保持弹性，次要构件可破坏，但经修理后不影响结构的使用。

大震：关键构件允许进入塑性但主体结构不允许倒塌，生命安全应能够保证。即满足规范要求的结构层间位移不得超过层高的1/70，层间侧移延性不得大于2.5。

2）风荷载作用下：

在规范规定的风荷载作用下结构构件能够保持弹性，顶点质心位置的侧移不宜超过建筑高度的1/500，质心层间侧移不宜超过楼层高度的1/400。

2．结构方案：

支撑：将支撑布置在结构的四周，不仅可以为建筑提供较大的使用空间，而且可以为结构提供较大的抗侧刚度，满足结构的侧移要求，提高整体结构的经济性。

框架：根据结构双向受力和大柱网的特点，将柱设计成箱形，并且让截面和壁厚随层高逐渐减少，不使结构出现较大刚度突变。箱形截面壁厚由60mm变化为22mm，截面尺寸由650x650变化为550x550。

3．设计特点，经济性：

1）本结构是目前国内少有的钢框架-支撑高层建筑，在7度设防和沿海台风频发地区，体现了较好的抗震和抗风性能，考虑结构地震作用较小，风荷载较大的特点，充分利用了钢框架的延性和支撑刚性的特点。

2）利用钢结构特点，创造了大跨度（群房整层空间最大跨度26m）的建筑空间。避免了使用预应力结构和较高大梁等情况。

3）虽然较混合结构用钢量略有增加，但较大的节省了混凝土用量和东南软土地基施工造价，使两者的总体成本相差不大。且能满足建筑大空间的要求。

二、结构抗侧性能分析

1）计算程序选取：

弹性阶段的反应谱分析采用SATWE及ETABS程序计算；弹性时程分析采用ETABS程序计算，输入数据取自SATWE高层钢结构三维分析与设计软件。塑性阶段的时程分析采用有限元软件ABAQUS完成。

2）计算模型：采用框架-支撑结构空间模型，弹性地震力按X、Y两个方向计算，并考虑藕联，

共取12个振型的结果。塑性地震中忽略压型钢板混凝土组合楼板刚度的影响，将结构的等效荷载标准值转化为水平受力构件的附加质量。计算模型包括主楼和群房，但不包括地下室。

3）计算主要参数：风荷载的基本风压0.45KN/m2，地面粗糙度C类。动力时程分析依据《高层民用建筑钢结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》中关于动力时程分析地震波的选用规定，选用了两条天然波和一条人工波。并依据两规范对峰值加速度的规定，在时程分析计算中，多遇地震加速度峰值取35gal，罕遇地震加速度峰值取220gal。地震波的持续时间取结构基本自振周期5~10倍，（T1＝4.06s），地震波的时间间距0.02s，每条地震波截取30秒左右计算。

多遇地震分析计算中阻尼比取3.5％；罕遇地震分析计算中阻尼比取5％；地震剪力系数不小于规范限值。

4）反应谱分析主要计算结果比较：

将两软件计算的前六阶周期进行对比，对比结果如表1所示，两结果基本一致，说明两软件计算的结构质量和楼层侧向刚度基本一致。

表1SATWE和ETABS计算的前六阶周期对比

将两软件计算的多遇地震下两主方向的楼层位移和层间位移角进行了对比，对比结果如下图所示，两方向的楼层位移基本一致，层间位移角存在一定的差别，但都远小于规范规定的1/250的要求。并将结构弹性时程的底部剪力与反应谱的计算结果进行了对比，两个方向均满足单条时程不小于反应谱计算结果65%，多条时程平均值不小于反应谱计算结果80%的要求。这说明所选地震波满足规范要求，从下图可以看出，结构两个方向的最大层间剪力与反应谱计算结果相差不大，则时程计算的层间位移角仍能满足规范规定的要求。结构在小震下的层间位移较小，这说明结构的抗侧性能较好，不会出现附属构件的破坏，满足《建筑抗震设计规范》规定的当遭遇低于本地区设防列度的多遇地震时，一般不损坏或不需修理可继续使用的要求。

将反应谱计算的结构各层剪力进行分解，得到框架和支撑的剪力，计算得到任一楼层框架所承担的地震剪力大于结构底部总剪力的25％，满足了《高层民用建筑钢结构技术规程》关于框架-支撑体系关于楼层剪力的要求，在结构支撑失效后，框架结构仍具有足够的承载能力，防止结构整体倒塌，这说明我们的结构体系是合理的。

ETABS和SATWE计算的X向楼层位移对比ETABS和SATWE计算的X向层间位移角对比

ETABS和SATWE计算的Y向楼层位移对比ETABS和SATWE计算的Y向层间位移角对比

5）弹性地震动力时程分析计算结果

6）罕遇地震时程分析计算结果

大震下的X向顶点位移时程大震下的X向构件屈服位置

从上图可以看出，在X向大震作用下，仅底部两层的支撑和中部楼层的边柱发生屈服，其余构件均处于弹性状态，整个结构并没有发生较大的塑性变形，由于此种结构较柔，对地震作用的响应不明显，因此结构的表现出了较好的抗震性能。

7）100年重现期风荷载下的分析计算结果

ETABS和SATWE计算的楼层位移对比

ETABS和SATWE计算的层间位移角对比

从上图可以看出，结构在100年重现期风荷载下，顶点的最大位移约为109mm，约为整个结构总高度的1/950，远小于规范规定的1/500的要求，层间位移角最大值为1/670，远小于规范要求的1/400。因此整个结构的抗风性能良好。

三、结论

综合对本工程的以上分析结果，得到以下几点看法：

1.依据以上对结构多遇地震及罕遇地震作用的分析结果，在多遇地震作用下，所有构件均处于弹性状态，且层间位移角较小，满足规范规定的1/250的要求，罕遇地震下部分楼层梁、底部两层支撑和中部一层边柱屈服，但整个结构并没有出现较大的塑性变形，楼层的最大层间位移角远小于规范规定的1/50的要求，这说明结构在地震作用下的抗侧性能良好，多道抗震设防可以较好的避免结构大震作用倒塌。

2.依据100年重现期的风荷载作用分析结果，结构的顶点最大位移为109mm，最大的层间位移角仅1/670，满足《高层民用钢结构技术规程》要求的顶点质心位置的侧移不宜超过建筑高度的1/500，层间位移不宜超过楼层高度的1/400的要求，这说明结构在风荷载下的抗侧性能良好。

3.由于结构采用钢框架-支撑结构，结构的重量较小，且结构体系耗能能力较强；支撑能够提供较大的抗侧刚度，在100年重现期的风荷载下，结构层间位移角远小于规范要求。因此结构对大震和大风都能表现出较好的抗侧性能。

参考文献：

[1]GB50011-2010，《建筑抗震设计规范》

[2]JGJ3-2010，《高层建筑混凝土结构技术规程》

[3]JGJ99-2015，《高层民用建筑钢结构技术规程》

[4]GB50017-2003，《钢结构设计规范》

[5]ABAQUSUserManual