以实例分析绿色钢结构抗震性

石若利,李其伦,刘 涛,史少华

(1.云南大学 建筑与规划学院,云南 昆明 650500;2.四川文理学院 建筑工程学院,四川 达州 635000)

在土建领域中,大部分的施工过程都会有大量冗余的建筑废料以及有害物质排出[1],而绿色建筑就是在满足建筑最主要的承载力要求与安全耐久性的基础之上,要求使用的建筑材料和施工方法尽可能的环保、低污染[2-6].其中,以全钢结构建造的建筑能够将绿色建筑的节能、低碳、节约材料、耗水量低等理念有效地结合并在建筑上体现.建筑结构的抗震性得到学者广泛关注,方鄂华等[7]针对高层建筑的抗震问题做了相关的研究;欧近平等[8]对结构建筑的能量耗散减震技术进行了改进;刘其祥等[9]在2010年对高层钢结构建筑中的梁柱的连接设计方法进行了研究,并指出了现有技术的矛盾与不足;Sendanayake等[10]在高层钢结构建筑的连接方法上给出了隔震链接方案;Simoncelli等[11]对钢结构抗震结构的研究取得了新的进展,Radkia等[12]则是对非对称钢结构建筑的隔震抗震功能提出了新思路,Katsimpini等[13-14]利用翘板系统对低层钢结构建筑和高层钢结构的屈曲约束支撑建立模型研究其抗震性能.本文以实际工程案例中的一座35层钢结构建筑为研究对象,利用时程分析法研究抗震性;基于pushover分析法得到T形、L形钢管混凝土柱结构的基底位移剪力曲线,分析其抗震性是否满足要求.研究钢结构绿色建筑的抗震性.

1 钢结构建筑的抗震性分析

1.1 时程分析法研究抗震性

通过时程分析法绘制结构的载荷-位移曲线,研究其抗震性.钢结构建筑所在场地的基本烈度为Ⅵ度,取其地震最大加速度为49.03 cm·s-2;分别输入Taft波、EI-Centro波和人工波模拟该地实际地震波,同时求取其地震波单项输入;选定的地震波含有1 579个数据,运算耗时72 h,利用PKPM软件进行结构分析.

1.2 pushover分析法测试抗震性

基于pushover分析法研究地震时建筑中T形、L形钢管混凝土柱与混凝土组合建筑的内力与位移情况,以评估其抗震性.pushover分析法是静力弹塑性分析法,其与反应谱相结合,能展现地震条件下建筑结构的变换过程,其基本步骤如下.

1)基于pushover分析法得到所选结构的载荷-位移曲线,即表示结构侧向总剪力与顶点侧向位移关系的pushover曲线.

2)建立能力谱曲线,将步骤1)得到的pushover曲线转换为谱加速度sa和谱位移sd的关系曲线,其转换公式为

3)建立弹塑性需求谱曲线,采用试算和逼近的方法确保获得的性能点误差尽可能小,并将其对应的谱位移转化成选定结构的目标位移,用得到的顶点最大位移和层间角位移分析其抗震性.

在用pushover分析法对结构进行抗震性能分析时,为分析地震时结构的各变形情况,选定均布加载和倒三角加载2种水平侧力加载模式和X、Y两个方向,组合为结构重力+X方向加速度、结构重力+Y方向加速度、结构重力+1阶振型、结构重力+2阶振型4种加载模式.其中,模态1和模态2分别指1阶振型(X方向)和2阶振型(Y方向).

2 工程实例

2.1 工程总体概况及模型假设

取实际工程案例中的一座35层的钢结构建筑为研究对象,对其进行抗震稳定性的检测与调查.取钢结构建筑的首层楼高为5 m,其他楼层层高为3 m.该钢结构建筑首层采用的是箱型基础,相较于一般的实体单元,箱型基础刚度较大,稳定性较好,能有效降低基础沉降量.另一方面,箱型基础和上部结构能较好地嵌固于地基,能降低结构重心,增加结构整体性,故其抗震性较好.

其上的楼层则用T形、L形钢管混凝土柱构建其外框,楼板则用压型钢板构建.

1)绿色钢结构建筑相关参数.绿色钢结构建筑部分关键数据如表1所示,其中,钢材选用Q345B,墙体混凝土选用C40.

表1 绿色钢结构建筑关键构件参数Table 1 Key component parameters of green steel structure building mm

2)模型基本假设.在计算结构抗震变量和参数时,有以下假定:①将选取的理想状态下模型参数作为设计体系模型;②地下部分抵抗变形能力较强,刚度加大,故基础对其的嵌固作用很强,计算时将基础及结构地下部分看作完全嵌固的结构;③利用等效条件,将2种钢结构混凝土的刚度数据等效折算出来.

PKPM具有强大的计算能力,能进行复杂的运算,用其在进行复杂结构有限元分析时,可准确分析结构的时程、位移谱和瞬态动力等,基于此,分析建筑结构的抗震性.

2.2 钢管混凝土组合异形柱概况

本文选定结构为3.5 mm厚的开孔钢板焊接钢筋混凝土柱形成的T形、L形异形柱,并以其作为A户型测试对象,利用PKPM软件建模,设置好边界条件并进行加载,再进行分析求解,分析其抗震性.图1为建立的绿色钢结构建筑剖面图,建立好的A户型建筑的承重框架如图2所示.

图1 绿色钢结构建筑剖面Fig.1 Section of green steel structure building

图2 A户型建筑的承重框架Fig.2 Load bearing frame of apartment A

墙单元相较杆单元而言,其体积和面积越大,刚度和稳定性越好,同等受力条件下,其变形越小,

因而在计算模型中,使用墙单元模拟连接板,以使结构更加牢固.在3阶振型中2种单元的变形参数如表2所示.

表2 异形柱结构自振特性Table 2 Natural vibration characteristics of the structure with special-shaped columns

2.3 高度对结构抗震性的影响

在研究建筑结构抗震性能时,为分析高度对其的影响,分别以结构的10、25、35层为研究对象,利用时程分析法进行结构的动力计算,求得对整个地震持续时间中建筑实际产生的位移状况,并绘出相应X方向的条形图(见图3).

图3 X方向地震波作用下绿色建筑时程分析Fig.3 Time-history analysis of green building under X-direction seismic wave

图3给出结构在EI波、Taft波和人工地震波输入条件下,结构的X方向位移值,由此可分析不同楼层的测试对象的抗震性能,得出具有普遍性的结论.由图3可得:在输入3种不同的地震波的情况下,所得的结构位移-时间曲线有相似的变化规律,且结构最大位移出现时间不受地震波输入不同的影响,结构位移随楼层高度增加而增大,这是因为随着楼层增高,结构刚度减小,在地震作用下,建筑受力集中,变形增大,改变了结构原有的受力模式和屈服机制,结构抗震性变差.模型计算时复核计算长度系数,适当加大较高层柱配筋率,增设芯柱;设计时提高抗震性能目标至中震受剪力,可以较好地提升高楼层遇震时的抗震性能[15].

2.4 结构抗震性能分析

2.4.1.静力弹、塑性分析

基于静力弹、塑性分析方法,得到在4种不同加载模式条件下结构的基底剪力-顶点位移曲线如图4所示.由图4可知,结构在4种加载模式下呈现相似变化规律,均为曲线前期平滑上升,达到临界点后,则呈下降趋势,此时结构开始进入塑性状态.模态1(X方向)加载的临界点为12 mm,模态2(Y方向)加载的临界点为10 mm,造成这种波动不同步的原因是结构的不对称分布,导致Y方向的加速度偏心大.

图4 基底剪力-顶点位移曲线Fig.4 Base shear force-vertex displacement curve

利用式(1)及式(2),将得到的pushover曲线转换为能力谱曲线,同时建立弹、塑性需求谱曲线,把得到的能力谱曲线和需求谱曲线放在同一个坐标中,如两曲线相交,则称结构存在性能点,亦表明结构抗震性较好,反之较弱.也就是说:试件长度与其破坏特征呈正向变化,其偏心距越大,则偏压承载力越低;偏心方向对偏心受压性能的影响相对较小[16].

本文选择的钢结构建筑存在性能点,其参数如表3所示.由表3可知,加载方向一定时,相较于均布加载,倒三角加载的结构顶点位移更大,而谱位移和基底剪力无明显规律.

表3 绿色钢结构建筑异形柱结构的性能点参数Table 3 Performance point parameters of the green steel structure with special-shaped columns

2.4.2 结构侧向变形分析

基于pushover分析法,得到结构的侧向变形数据如表4所示,根据钢结构抗震规范[17]可知,当结构的层间位移角不超过1/60时,满足抗震要求.因此,由表4的数据可知,4种加载模式下所得到的最大层间位移角均小于1/50,故结构抗震性符合规范要求.

表4 不同载荷工况下钢结构建筑异形柱结构的层间位移角最大值Table 4 Maximum inter-story displacement angle of special-shaped column structure of steelstructure building under different load conditions

3 结 论

本文针对钢结构的高度对钢结构建筑的抗震性影响和结构抗震性进行分析.基于时程分析法得出3种地震波输入下结构不同楼层的时间-位移曲线,分析高度对结构的抗震性的影响,同时利用pushover分析法,通过对结构基剪力进行控制,得到钢结构在4种不同加载条件下的基底剪力-顶点位移值,以分析其抗震性能,得出以下结论.

1)地震作用下,不同楼层高度的建筑结构会在同一时间达到最大位移,且建筑结构随楼层高度增大建筑结构的整体刚度降低;相同加载条件下,建筑受力集中,变形增大,结构抗震性变差.

2)所选取的钢结构方钢管混凝土组合异形柱在4种加载模态下所得到的最大层间位移角均小于1/50,故结构抗震性符合规范要求.

随着工业的发展,炼钢技术的提高,我国钢产量一直保持逐年增长趋势,到2021年全年产量将超过11亿t.同时,全球人口的增长及人民对美好生活的追求也迫切要求科学家们找到解决现有居住面积无法满足人民需求的问题的途径,钢结构建筑除具有施工时间短、施工不受季节影响、强度高、自重轻等优点外,其环保指标也优于钢筋混凝土结构和砖混混凝土结构,适合工程使用.但在建造高层钢结构建筑时,应该更多地关注结构在地震作用下的变形与位移,如果能解决高层钢结构建筑抗震问题,就解决了人民的居住问题,也符合绿色发展理念.