钢支撑框架与剪力墙框架的抗震性能对比分析.pdf

第 卷第期 年 月浙江水利水电学院学报J o fZ h e j i a n gU n i v o fW a t R e s&E l e c t r i cP o wV o l N o O c t D O I:/j i s s n 钢支撑框架与剪力墙框架的抗震性能对比分析袁华(中铁十八局集团 北京工程有限公司,北京 )摘要:剪力墙系统在钢筋混凝土建筑中可起到很好的减轻地震损伤的作用.同样,基于类似的作用机理,集中钢支撑系统也广泛被应用于钢结构建筑中.虽然两种系统都对结构性能有重要影响,但由于不同结构系统的响应系数值不同,两种系统在地震作用下表现出的力学行为也不同.使用有限元软件分别分析了剪力墙系统和钢支撑系统,确定两个模型的力学性能,对比两种系统在地震作用下表现出的不同的力学行为,对同一位置采用剪力墙或钢支撑的钢筋混凝土框架进行了简化数值分析,结果表明两种系统在地震作用下各有优缺点.关键词:剪力墙系统;钢支撑系统;抗震性能;数值分析中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()C o m p a r a t i v eA n a l y s i so fA n t i s e i s m i cP e r f o r m a n c eB e t w e e nS t e e lS u p p o r tF r a m ea n dS h e a rW a l l F r a m eYUAN H u a(B e iji ngE ngi n e e r i ngC o,L t d,C h i n aR a i l w ay t hB u r e a uG r o up,B e iji ng ,C h i n a)A b s t r a c t:S h e a rw a l l sys t e m sc a ne f f e c t i v e lyr e d u c ee a r t hqu a k ed a m age i nr e i n f o r c e dc o n c r e t eb u i l d i ngs S i m i l a r ly,b a s e do ns i m i l a rm e c h a n i s m,c e n t r a l i z e ds t e e l s up po r t sys t e m s a r ea l s ow i d e lyu s e d i ns t e e l s t r u c t u r eb u i l d i ngs B o t hsys t e m sh a v eas ign i f i c a n t i mpa c to ns t r u c t u r a lpe r f o r m a n c e,b u td u et ot h ed i f f e r e n tr e spo n s ec o e f f i c i e n tv a l u e so fd i f f e r e n t s t r u c t u r a l sys t e m s,t h em e c h a n i c a l b e h a v i o ro f t h e t w osys t e m su n d e re a r t hqu a k ea c t i o n i sa l s od i f f e r e n t T h es h e a rw a l l sys t e ma n ds t e e l s up po r t sys t e mw e r ea n a lyz e dbyf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r et od e t e r m i n et h em e c h a n i c a lpr ope r t i e so ft h et w om o d e l s,a n dt h ed i f f e r e n tm e c h a n i c a lb e h a v i o r so ft h et w osys t e m su n d e re a r t hqu a k ea c t i o nw e r e c o mpa r e d As i mpl i f i e dn u m e r i c a l a n a lys i sw a s c a r r i e do u t f o r a r e i n f o r c e dc o n c r e t e f r a m ew i t hs h e a rw a l l o r s t e e l s up po r ta t t h es a m e l o c a t i o n T h er e s u l t s i n d i c a t et h a tb o t hsys t e m sh a v ea d v a n t age sa n dd i s a d v a n t age su n d e re a r t hqu a k ea c t i o n K e y w o r d s:s h e a rw a l l sys t e m;s t e e l s up po r t sys t e m;a n t i s e i s m i cpe r f o r m a n c e;n u m e r i c a l a n a lys i s收稿日期:作者简介:袁华(),男,河北张家口人,工程师,研究方向为住房建设施工,E m a i l:q q c o m.目前,地震灾害已经成为人们关注的焦点,由于地震的不可预见性,其造成的损伤是巨大的 .由于容易受到地震的破坏,结构在设计前需要采取必要的措施,同时,需要布置一些耗能装置来减少地震对结构造成的危害 .剪力墙系统和钢支撑系统都是增加框架刚度最有效的手段.目前,在许多高层建筑结构中,剪力墙作为核心抗侧力构件,能够大大提高框架的侧向刚度,同时还可以承受竖向荷载.钢支撑系统是一种新型的抗侧力体系,具有质量轻、加工制作方便及施工快捷等优点.尽管钢支撑系统比剪力墙系统刚度小,但是钢支撑系统的自重较小,在地震作用下楼层的剪力更小 .为阐明剪力墙系统和X型钢支撑系统对多层建筑框架抗震性能的有利影响,笔者把剪力墙和X型钢支撑布置在结构的同一位置,以观察框架柱承受的弯矩和剪力.研究背景剪力墙具有较好的抗侧向荷载能力,能够提高结构框架的侧向刚度,在结构工程领域具有广泛的意义.剪力墙可根据材料、施工工艺和位置分为多种类型:)木钉胶合板剪力墙;)金属铆钉胶合板剪力墙;)钢筋混凝土剪力墙;)钢筋CMU剪力墙;)未加固砖墙;)钢筋加固的双向砖墙;)双钉方形剪力墙.剪力墙根据施工过程可分为预制和现浇两种类型.剪力墙的布置位置是一个关键问题,布置位置不同,质量中心和刚度中心也不同.最小化质量中心和刚度中心之间的距离能够有效减少偏心率和扭矩.剪力墙主要从基础标高开始建造,在建筑物的最大高度上保持最小厚度.通常,剪力墙的厚度为 mm或更大.钢支撑系统主要用于抵抗包括风和地震作用在内的横向荷载,支撑框架中的构件用于承受轴向力.一般来说,支撑框架有中心钢支撑和偏心钢支撑两种类型.中心钢支撑的抗侧向力方法主要基于轴向受力.相反,偏心支撑框架是一种相对较新的抗侧向力系统,用于抵抗地震效应.偏心支撑会受到剪力,为框架提供了更大的刚度.这里,采用中心钢支撑进行建模,用于与剪力墙系统和钢支撑系统进行比较.本研究将两种体系的位移角、位移比、倾覆力矩和剪力等指标进行了对比,总结两种结构体系的变形规律,弯矩和剪力的分配规律,可供类似工程参考.有限元模型分析 研究方法有限元法是一种评估偏微分方程边值问题近似解的数值方法,它将整个问题域的离散化小规模部分组合起来,并使用变分法中的能量方法,通过减少相应的误差函数来解决问题.该方法侧重于结构分析、固体 力 学、动 力 学、热 分 析、电 分 析 等 .使 用E T A B S软件分析剪力墙系统和钢支撑系统以确定每个模型的力学行为和性能.由于客户的选择不同,受设计理念、建筑视角等因素影响,住宅和商业等用途的结构系统具有丰富的多样性.本研究选择形状简单的结构,主框架的高度、面积、跨度及使用的材料保持不变.对于剪力墙系统,在框架结构某些梁柱节点处采用固定型钢支撑,型钢截面需符合最小长细比.在相同位置布置剪力墙或钢支撑,对结构进行分析,综合对比结构周期、位移角、位移比,以及框架承担的剪力和弯矩,分析两种结构体系的优缺点.结构模型结构平面 m m,根据 建筑抗震设计规范(G B )(简称抗规)要求布置支撑或剪力墙(图),共 层,层高为 m,结构总高为 m.图标准层结构平面布置(单位:mm)浙江水利水电学院学报第 卷钢支撑混凝土框架结构的三维模型见图,混凝土框架剪力墙结构的三维模型见图.图钢支撑混凝土框架结构三维模型图混凝土框架剪力墙结构三维模型混凝土柱截面 mm mm,混凝土梁框架梁 mm mm,次梁 mm mm,剪力墙厚 mm,钢支撑采用HW 的型钢,材质Q B,混凝土等级为C .地震烈度为度(g),场地类别为类,设计分组为第一组.本研究重点针对剪力墙系统和钢支撑系统对建筑抗震性能的影响展开研究.在结构工程领域,地震分析是非常复杂的部分,而考虑到地震的相应特征,需要采用精确的过程来分析结构框架力学性能.结构分析有两种类型:)静态分析又称为等效静力法,将地震力以归一化的方式进行计算,根据建筑物重量计算总基底剪力;)动态分析(在等效静力法不能够有效分析时使用),包括反应谱分析、时程分析和推覆分析三种类型,按建筑抗震设计规范(以下简称抗规)的振型分解反应谱法进行地震计算.结果分析表统计了两个模型的前阶振型,质量参与系数已达到规范要求的,第一振型为Y向平动,第二振型为X向平动,第三振型为扭转振型.图将两个结构的周期进行了对比.表钢支撑和剪力墙框架周期统计表振型号钢支撑周期/s剪力墙周期/s 图周期对比由图可知,钢支撑框架的周期比剪力墙框架的周期要大一些,说明钢支撑框架结构的刚度比剪力墙支撑框架的要小.由抗规的反应谱图形可知,第期袁华:钢支撑框架与剪力墙框架的抗震性能对比分析结构的地震作用系数处于曲线的下降段,周期越大,地震作用力就越小.由此可知,钢支撑框架与剪力墙框架相比,其地震作用力更小,对起到抗震作用较为有利.对钢支撑框架的位移角和位移比进行统计,结果详见表.对剪力墙框架的位移角和位移比进行统计,结果见表.表钢支撑框架的位移角和位移比统计表楼层X向位移角/(r a dm)Y向位移角/(r a dm)X向位移比Y向位移比/表剪力墙框架结构的位移角和位移比统计表楼层X向位移角/(r a dm)Y向位移角/(r a dm)X向位移比Y向位移比/由表和表可知,两种结构的位移角和位移比都符合规范要求,X向和Y向的变形接近,说明两个方向的刚度接近,是一个规则结构.X向由于结构比较长,位移比比较小,扭转效应很小.Y向的位移比则较大,层和 层钢支撑框架结构的位移比为 ,比剪力墙框架的位移比要大.由此可见,钢支撑框架结构的抗扭能力比剪力墙框架结构差.钢支撑框架和剪力墙框架的位移角对比情况见图和图.图X向位移角对比图图Y向位移角对比图由图和图可知,钢支撑框架和剪力墙框架的在X向和Y向沿层高的变形规律基本一致,钢支撑框架在沿层高的变形呈现出弯曲变形的形状,剪力墙框架在沿层高方向呈现出剪切变形的形状.在 层以下,钢支撑框架的位移角比剪力墙框架的大,在 层以上,钢支撑框架的位移角比剪力墙框架的小,这是由两种结构体系的抗水平力的区别决定的.对钢支撑框架柱和支撑分别统计倾覆力矩及框架柱的弯矩比(表).浙江水利水电学院学报第 卷表钢支撑框架柱倾覆力矩及弯矩比统计楼层X向框架柱力矩/(k Nm)斜撑力矩/(k Nm)合计力矩/(k Nm)柱弯矩比/Y向框架柱力矩/(k Nm)斜撑力矩/(k Nm)合计力矩/(k Nm)柱弯矩比/对剪力墙框架柱和剪力墙分别进行倾覆力矩及框架柱的弯矩比统计,统计结果见表.表剪力墙框架柱倾覆力矩比及弯矩统计楼层X向框架柱力矩/(k Nm)普通墙力矩/(k Nm)合计力矩/(k Nm)柱弯矩比/Y向框架柱力矩/(k Nm)普通墙力矩/(k Nm)合计力矩/(k Nm)柱弯矩比/第期袁华:钢支撑框架与剪力墙框架的抗震性能对比分析由表和表可知,由于X向的框架柱数量较多,X向的框架柱承受的倾覆力矩比Y向大,符合框架柱和支撑(剪力墙)按刚度分配弯矩的原则.其对比见图和图.图框架柱X向倾覆力矩比对比图图框架柱Y向倾覆力矩比对比图由图和图可知,X向和Y向剪力墙框架柱的倾覆力矩都比钢支撑框架的大,说明剪力墙的刚度比钢支撑大,剪力墙承担的弯矩比钢支撑的大.沿层高方向,框架柱承担的弯矩逐渐增大,剪力墙框架结构在底部的弯矩约 由剪力墙承担,钢支撑框架结构在底部的弯矩约 是由钢支撑来承担.对钢支撑框架柱和支撑分别进行剪力及框架柱剪力比统计(表).表钢支撑框架柱剪力及剪力比统计层号X向框架柱剪力/k N支撑剪力/k N总剪力/k N柱剪力比/Y向框架柱剪力/k N支撑剪力/k N总剪力/k N柱剪力比/对剪力墙框架柱和剪力墙分别进行剪力及框架柱的剪力比统计(表).浙江水利水电学院学报第 卷表剪力墙框架柱剪力及剪力比统计表层号X向框架柱剪力/k N剪力墙剪力/k N总剪力/k N柱剪力比/Y向框架柱剪力/k N剪力墙剪力/k N总剪力/k N柱剪力比/表和表中,在结构的顶层框架柱的剪力加上剪力墙的剪力并不等于总剪力,是由于软件统计剪力时,采用的是振型解法,各个振型的剪力经过C Q C组合后,已经使代表符号的正负号丢失了.由表和表中的弯矩符号也可知,在结构的顶部存在剪力反号的现象.其对比见图和图.图框架柱X向剪力比对比图图 框架柱Y向剪力比对比图由图和图 可知,X向和Y向剪力墙框架柱的剪力都是钢支撑框架的大,说明剪力墙的刚度比钢支撑大,剪力墙承担的剪力比钢支撑的大.沿层高方向,底层框架柱承担了较大的剪力,其余层框架柱承担的剪力逐层增大,剪力墙框架结构在底部的剪力约 由剪力墙承担,钢支撑框架结构在底部的剪力约 由钢支撑承担,虽然结构的总体指标相差不大,但是内力的分布是有较大差别的,剪力墙的弯矩和剪力都可以由剪力墙传给基础,钢支撑的弯矩和剪力都是由支撑传给框架柱,再由框架柱传给基础,与支撑相连的框架柱受力较大,剪力墙框架则情况相反.在实际工程中,对于剪力墙框架结构,此案例的框架柱剪力不满足建筑抗震设计规范关于 g抗震等级的要求,需要按规范对剪力进行调整.对于钢支撑框架,需要按建筑抗震设计规范进行无支撑模型的补充分析,笔者旨在研究两种体系的受力特点.第期袁华:钢支撑框架与剪力墙框架的抗震性能对比分析 结论为了研究剪力墙系统和钢支撑系统在地震作用下表现出不同的力学行为,笔者对同一位置采用剪力墙或钢支撑的钢筋混凝土框架进行了简化数值分析,得到以下结论:)钢支撑混凝土框架和剪力墙框架的周期相近,钢支撑混凝土框架的周期略大,反映出剪力墙框架结构的刚度比钢支撑混凝土框架的刚度大.钢支撑框架与剪力墙框架相比,其受到地震的作用力更小,对抗震有利.)通过对比钢支撑混凝土框架和剪力墙框架的位移角,在 层以下,钢支撑框架的位移角比剪力墙框架大;在 层以上,钢支撑框架的位移角比剪力墙框架的小.钢支撑混凝土框架在高度方向上是弯曲变形,剪力墙框架则是剪切变形.)由于剪力墙的刚度比钢支撑框架大,剪力墙框架柱承担的倾覆力矩比钢支撑框架的大,沿层高方向,框架柱承担的弯矩会逐层增大.)由于剪力墙的刚度比钢支撑框架大,剪力墙框架柱承担的剪力比钢支撑框架的大,沿层高方向,框架柱承担的剪力逐层增大.)钢支撑质量比剪力墙小,在高层或超高层中可以减小框架柱的轴压比,由于钢支撑的剪力和弯矩需要传给框架柱,给框架柱增加了轴力,因此在实际工程中需通过计算方可确定方案的可行性.参考文献:叶列平,陆新征,赵世春,等框架结构抗地震倒塌能力的研究:汶川地震极震区几个框架结构震害案例分析J建筑结构学报,():冯蔚,钱庚,杨牧萍 年全球地震灾害概要J地震科学进展,():范炯炯建筑结构抗震设计研究J房地产世界,():孟晓明耗能减震装置在加固工程中的应用分析D兰州:兰州交通大学,文豪探析建筑结构设计中的剪力墙结构设计J房地产世界,():孙庆基于不同类型支撑的钢框架结构抗震性能分析D青岛:青岛理工大学,刘洋框架剪力墙结构建筑施工技术分析要求J石材,():欧阳洪,刘新彬,沈雷皓有限元分析的准确性验证及应用J科学技术创新,():温红广装配式钢筋混凝土剪力墙连接节点抗震性能有限元分析D石家庄:河北科技大学,王富民,高向宇,黄金,等钢支撑混凝土框排架结构抗震性能试验及有限元分析J建筑结构,():住房和城乡建设部,国家市场监督管理总局建筑抗震设计规范:G B S北 京:中 国 建 筑 工 业 出 版社,(责任编辑:薛妍)(上接第 页)江苏省都督府江苏巡按使公署饬第二千五百十三号(中华民国五年六月十九日)R江苏省公报,():江苏省都督府江苏巡按使公署批第八千五百九十三号R江苏省公报,():江苏省都督府江苏巡按使公署批第九千七百七十五号R江苏省公报,():浙江昆虫局宿迁警察局长连夜捕蝗J虫情,():江苏省都督府江苏巡按使公署饬第三千二百八十三号(中华民国四年六月八日)R江苏省公报,():江苏省都督府江苏省长公署批第三千四百五十四号(中华民国十年九月二十六日)R江苏省公报,():江苏省都督府江苏省长公署批第一千四百九十二号(中华民国十年四月二十二日)R江苏省公报,():江苏省都督府江苏省长公署批第二六五三号(中华民国十二年六月十四日)R江苏省公报,():江苏省都督府江苏省長公署训令第三千三百七十六号(中华民国八年八月二十四日)R江苏省公报,():基督复临安息日会淮安河西第八区七方办陆家庄灾民结草筑堤避水之惨影J时兆月报,():江苏省都督府江苏省长公署批第七百七十四号(中华民国六年五月二十八日)R江苏省公报,():江苏省都督府江苏省长公署批第四千六百八十三号(中华民国十一年十二月二日)R江苏省公报,():江苏省都督府江苏省长公署批第一千四百六十六号(中华民国十一年五月十日)R江苏省公报,():(责任编辑:薛妍)浙江水利水电学院学报第 卷