采用钢结构加层的混凝土框架结构的侧向力分布比较.pdf

江苏建筑 2 0 1 2年第 6期( 总第 1 5 2期 ) l 9 采用钢结构加层的混凝土框架结构的侧向力分布比较 林 敏 ( 江 苏省 建筑 科 学研 究院有 限公 司 结构研 究所 ， 江 苏南 京2 1 0 0 0 8 ) 摘 要1 P u s h o v e r 分析方法是逐渐得到广泛应用的一种评估结构抗震性能的简化方法， 已被引入我国新的建筑结构抗震 设计规范。 侧向力分布的选取是 结构 PUs h o v e r 分析 中的一个关键 问题 ， 尤其是对于混凝 土框 架直接加层钢框架结构 由于上 下层 间刚度比差异较 大， 侧向力分布对其 P u s h o v e r 分析的结果影响更为显著。 文章通过对 3组共 6榀加层框架 。 选取不 同的 侧向力分布进 行 了P u s h o v e r 分析 。 并与非线性 时程分析结果进行 了比较。 比较 结果表 明， 对于混凝土框 架结构直接加层钢框 架结 构 不 同的 侧 向力 分 布 得 到 的 P u s h o v e r 分 析 结 果 差 异 较 大 ， 与 时程 分 析 结 果 的 偏 差 也较 大 。 关键 词1 P u 8 h 0 v e r 分析； 侧向力分布； 加层； 非线性时程分析 中图 分类 - 1 T U 3 7 5 4 文献 标识 码1 A 文章 编 - 1 1 0 0 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 2 ) 0 6 一 o o l 9 0 3 Lo a d Pa t t e r n Co mpa r e d o f RC Fr a me S t r uc t ur e s a f t e r S t e e l Ad di n g St o r e y i n Pus ho v e r An a l y s i s LI N Mi n ( S t r u c t u r e I n s t i t u t e o f J i a n g s u R e s e a r c h I n s t i t u t e o f B u i l d i n g S c i e n c e C o ， L t d ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 8 C h i n a ) Ab s t r a c t ：P u s h o v e r a n a l y s i s i s a s i mp l i fi e d me t h o d f o r s t r u c t u r e s e i s mi c e v a l u a t i o n ， w h i c h i s e x t e n s i v e l y u s e d g r a d u a l l y ，a n d i s r e c o mme n d e d b y t h e n e w n a t i o n al c o d e o f s e i s mi c d e s i g n o f b u i l d i n g s T h e l o a d p a t t e r n s e l e c t i o n i s o n e o f t h e c ri t i c a l i s s u e s i n p u s h o v e r a n a l y s i s ， e s p e c i a l l y t o t h e RC f r a me a f t e r s t e e l a d d i n g s t o r e y ， f o r t h e d i s t ri b u t i o n o f l a t e r a l f o r c e P u s h o v e r a n aly s i s r e s u l t i s mo r e s i g n i fi c a n t i mp a c t B a s e d o n t h e t h r e e gro u p s o f s i x t y p e s o f f r a me w o r k ， d i ff e r e n t l a t e r a l f o r c e d i s t rib u t i o n w a s s e l e c t e d f o r p u s h o v e r a n aly s i s ， a n d t h e n o n l i n e a r t i me - h i s t o r y a n a l y s i s r e s u l t s w e r e c o mp are d T h e r e s u l t s s h o w t h a t ， for RC f r a me s t ruc t u r e aft e r s t e e l a d d i n g s t o r e y d i r e c t l y ，t h e r e s u l t s o b t a i n e d o f d i f f e r e n t l a t e r al f o r c e d i s t rib u t i o n o f p u s h o v e r a r e d i f f e r e n t ，a n d t h e t i me - h i s t o ry a n aly s i s r e s u l t s o f d e v i a t i o n b i g g e r als o Ke y wo r d s ： p u s h o v e r a n a l y s i s ； l o a d p a t t e m ； a d d i n g s t o r e y ； n o n l i n e ar t i me h i s t o ry a n a l y s i s 0 引 言 随着基 于性 能的抗震设计方法 的出现 用 P u s h o v e r 分 析方 法( 非线性静力推覆分析方法 ) 来预估 建筑结构 的抗震 能力得到越来越广 泛的应用 2 0 0 1 抗震 规范【I 】对 结构分析 也首次引入了静力推覆分析方法 。 对于规则结构 ， 由于其质 量和 刚度 分布均匀 在进行非线性静力推覆分析时 ， 水平侧 向力分 布可以采用 均匀 分布 、倒 三角分布以及考虑振型影 响的指数 分布等 国内外学 者对此已经进行了一定的研究 分析 和改进工作2 - 5 1 混 凝土 框架结构 直接加 层钢框架 结构是 在既有 混凝 土框架结构上新加数层钢结构而形成 的一种混合结构 。由 于钢结构和混凝土结构在构件截面尺寸 以及材料性能等方 面存在明显差异 一方面使得加层后整体结构在连接层 处 层间刚度有突变 另一方面在 中震或大震作用下结 构一 旦 进入弹塑性 阶段 结构的层间刚度将有明显变化 。此时 ， 各 种侧 向力分布适用性如何 ， 有待考证。本文基于以上考虑 ， 通过对 3组共 6榀加层框架 选取不 同的侧 向力分 布进 行 P u s h o v e r 分析 并 与非线性时程分析结果进 行 比较 ， 对各 种 侧 向力分 布的适用性进行考 察。 1 侧 向力 分 布 P u s h o v e r 分析 时常采 用 的侧 向力分 布主 要包 括均 匀 分 布 、 倒三 角形分 布 、 指 数分 布 、 第 一振 型分 布 以及 S R S S 分布 。 其 中前 4种分 布形式属 于固定水平荷载侧 向分布 ， 其 特点是侧 向力分布 在整 个加载过程 中保持不 变 ： S R S S分 布 则是典 型的 自适应水平荷载侧 向分布 其特点是在 每次加 载时根据结构 侧 向位移或 振型 的变化 调整侧 向力分 布 ， 在 一 定 程度 上考虑了结构弹塑性水平的变化对层 惯性力分布 【 收 稿日 1 12 0 1 2 - 0 5 0 7 作者简介】 林 敏 ， 江 苏 省 建 筑 科 学 研 究 院 有 限 公 司 结 构 研 究 所 ， 工 程 师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 6期( 总第 1 5 2期 ) 影响 1 1 均匀分布 均匀分 布认为水 平侧 向力 沿结构 高度 的分布与 楼层 质量成正 比 不考虑地震过程 中层惯性力的重分布 ， 此时每 一 楼层水平侧向力可由式( 1 ) 计算 ： ， l ( 1 ) 、 = 1 其 中， 为结构第 层楼层水平侧 向力 ， V 为结构基底剪 力 ， i 、 分别为结构第 i 层和第 J层楼 层的重力荷载代表 值 。 1 2 倒 三角分布 水平侧 向力沿结 构高度分 布与层 质量 和高度乘 积成 正 比的加载方式称为倒三角形水平加载模式 。这是 目前 国 内外大多数抗震规范 中采用的侧向力分 布形式 ： ， 、 ( W A ， ) V ( 2 ) 、 = I 其 中， h 为结构第 层楼 面距地面的高度。 1 3 指数分布 为 了反映地震作用下不 同楼 层加速度的变化 需要考 虑 变形的不 同模 态 以及振 动时高 阶振 型的影响 F E MA 3 5 6 建议使用指数分布模式 ： E = (w th *i， 嘴 lV (3 ) I 其 中， 为控制侧 向荷载分布形式 的参数 ， 其表达式 为： 1 0 1 n 。 D5 u j 2 0 0 5 s 0 5 s 2 5 s ( 4 ) 2 5 8 式 中 ， 为结构的基本周期 。显然 当 0 5 8 时 J = l ， 则指数 分 布即可转化 为倒三角分布。 1 4 第一振 型分 布 认为在整个加载过程 中 侧向荷载 的分 布与结构的第 一 振型关系最为密切 ， 当只考虑结构 的第一振 型时 每一楼 层水平侧向荷载按下式计算 ： 6 ( 5 ) 嘭 ，= J 其中 ， 为结构第一振型对应 于第 i 层的值。 1 5 S R S S分 布 该分布模式在加载之前 ，先求 出结构的周期 和振 型 ， 根据振型分解反应谱法中的平方和开根号法( s P , s s ) 计算结 构各楼层的层间剪力 由各楼层层问剪力反算各层水平荷 载， 作为下一步的水平荷载模式。具体计算公式如式( 6 ) 嘲 。 n厂丙一 W ， Q i = 。 ( 6 ) m =J T t J 其中 ， 吩 为加 载前一步第_ 周期对应的地震影响系数 ， 按 建 筑 抗震设计规范 ( G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 罕遇地震影 响系数曲线确 定 ； 为加载前 步第 振型第 层 的水平相对 位移 ； 为 加 载前一 步第 振 型参与 系数 ； 和 分 另 0 为 振 型下 f 楼层的水平荷载和层剪力 ； 为 J 、 r 个振型组合后 层 剪力 ； 为等价水平荷载。 2 算例分析 2 1 分析模型 利用上述 5 种 常见 的侧 向力分布 ，对 “ C 4 + S 1 ” 、 “ C 4 + S 2 ” 、 “ C 5 + $ 2 ” 、 “ C 5 + $ 3 ” 、 “ C 6 + 2 S ” 、 “ C 6 + 3 S ” 3组共 6榀钢框 架加层混凝土框架结构进行 P u s h o v e r 分析 。以比较各侧 向 力分布 的非线性静力 分析结果 ( C代表既有混凝 土框 架 ， S 表示加层钢框架 。 后 面的数字代表层数 ) 。 6榀框架结构平 面布置相 同， 见图 l 。结构底层层高均 为 3 6 m， 其余楼层层高为 3 3 m。其 中 4层既有 混凝土框架 结构柱截面为 5 0 0 m r n 0 0 mm。梁截面为 2 5 0 m mx 6 0 0 m m； 加层钢框架柱截面为 H 3 0 o 3 O 0 1 0 ) c 1 2 梁截面为 H 2 5 0 x 5 0 0 x 8 l 0 。 5 层既有混凝土框架结构柱截面为 5 0 0 m m x 5 0 0 mi l l ， 梁 截面为 2 5 0 m inx 6 0 0 m m： 加层钢框架柱截 面为 H 3 0 0 x 3 0 0 x 1 2 x 1 5 。 梁截面为 H 2 5 0 x 5 0 0 x l 0 x l 2 。6层既有混凝 土框架梁 柱截面同 5层 。 楼层荷载按 建筑结构荷载规范 取值 ， 建筑 抗震设防烈度为 8度 ， I I 类场地。 重 要 鼋 _ _ 图 1 建筑结构平面布置 首先利用有限元软件 M I D A S对 6榀加层框 架结构进 行模态及反应谱分析 并对既有的混凝土框架结构进行配 筋设计 ( 暂不考虑 加层钢框架 的影响 ) 。 然后 对加层 框架结 构进行 Pu s h o v e r 分析 为了和非线性时程分析结果进行对 比。 这里选取 2个具有代表性的地震波 ： E 1 一 C e n t r o波 和 T a f t 波。时程分析时调整地震波加速度峰值使其产生的顶层位 移平均值 为 P u s h o v e r 分析的顶层控制位移 。 2 2 结果分析 6 榀加层框架结构 P u s h o v e r 分析得到 的推覆 曲线计算 结果见图 2 一 图 7 、 层间位移角计算结果见 图 8 一 图 1 3 。 圈 2 “ C 4 + $ 1 ” 推覆曲线 r_ l _rI- l r-_ _ r 【l X 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 6期 ( 总第 1 5 2期 ) 2 1 图 4 “ C5 + $2， 推 覆 曲线 图 5 “ C5 +S3 - ， 推 覆 曲线 。 移 o - o s 。 O -, 0 0 5 t 一 ， r O O l 。 5 0o 4 。o 善 一 i l o o O 图 6 “ C6 + S 2 ” 推覆曲线 图 7 “ C 6 + $ 3 ” 推覆 曲线 从 图 2 图 7中的推覆 曲线可以看 出： 6榀 加层框架 的 推覆 曲线 均为双折线型 其中均匀分布得到的结构弹性 刚 度最大 倒三 角形 分布及指数分 布得到 的结 果次之 S R S S 方法分布 以及第一振 型分布得 到的结 构弹性刚度最小 由 于本文分析的模型层数较少 因此 S R S S方法分布以及第一 振型分布 的计算结果几乎相 同 。 倒三角分布 、 指数分布的推 覆 曲线也 比较接近 与振 型相关 的分 布模 式得到的推覆 曲 线较之其他分 布模式低 说 明上 部钢 框架的水平侧移刚度 在弹性阶段较弱 。 模态分析 中其振型 向量较大 因此在一定 程度上加强 了上部楼层分布荷 载的作用 分析 图 8 图 1 3中层间位移角计算 结果可 以看出 ： 均 匀分布计算结果 与其余分 布及 非线性 时程分析结果差异较 大 均匀 分布在下部楼层的层间位移角明显偏大 并 且随着 楼层层数 的增加 这种差异更为 明显 。 可见 均匀分布加载模 式强调 了地震对结构底层 的作用 相对 于均匀分 布 倒三 角形分布 、 指数分 布以及 与振 型相关的分布所得层 问位移 角结果较 为接 近 在下部楼层 与非线性时程分析结果 吻合稍好 。但 是随着既有混凝土框 架和加层钢框架层数 的增加 以上所 有侧 向力分布得到的 层间位移角与非线性 时程分 析结 果差 异逐渐明显 尤其是 在结构的连接层更为突 出。这说 明随着结 构推覆位移的增 大 下部 混凝 土进入弹塑性阶段后 。 结构各楼层 的水 平侧移 刚度发生 了较大变化 此时若上部钢结构未到达屈服强度 ， 则钢框架和混凝土框架 的水平侧 移刚度之 比较 之弹性阶段 O O一 0 屡 3 闻位 0 # 00 6 r 0 B d 0 09 O01 2 图 8 “ C 4 + $1 ” 层间位移角 图 9 。 移 。 “ C 4 + $ 2 ” 层 间位移 角 移 角 。 蹦盟 t z。 。 e 。 。 图 1 2 “ C6 + $2” 层 间位 移 角 图 1 3 “ C6 + $3 ” 层 间位 移 角 会有显著差异 。因此按照与 弹性分析 ( 模态分析 ) 一 致的分 布荷载进行推覆分析得 到的层 间位移 角与时程 分析 结果存 在较大偏差 3 结 语 侧 向力 分布 的选取是 结构 P u s h o v e r 分 析中的 一个关 键问题 。 尤其是对 于混凝土框架直接加层钢框架结 构 。 由于 上下层间刚度 比差异较大 侧向力分布对其 P u s h o v e r 分析 的结果影响更为显著 。 本文通过对 3组共 6榀加层框架 。 选 取不同的侧向力分布进行 了 P u s h o v e r 分析 并 与非线性 时 程分析结果进行 了比较 。 比较结果表明 对 于混凝土框架结 构 直 接 加 层 钢 框 架 结 构 不 同 的 侧 向力 分 布 得 到 的 P u s h o v e r 分 析结果差异较大 与 时程分析 结果的偏差也较 大。 因此针对该种结构形式 在选取侧 向力分布时要考虑结 构上 下刚度比的影响。 参 考 文 献 1 GB 5 0 0 1 1 2 0 0 1建筑抗 震设计规 范【 s 】 北京： 中国建筑 工 业 出 版 社 2 0 0 1 2 Gu p t a B a n d K u n n a t h S K A d a p ti v e s p e c t r a b a s e d p u s h o v e r p r o c e d u r e f o r s e i s mi c e v al u a ti o n o f s n u c mr e s 1 E a r t h q u a k e S p e c a ， 2 0 0 0 ， 1 6 ( 2 ) ： 3 6 7 - 3 9 2 【 3 】 C h o p r a A K a n d Go e l R K A mo d a l p u s h o v e r ana l y s i s p r o c e d u r e f o r e s t i ma ti n g s e i s mic d e m a n d s f o r b u il d i n g s 】 Ea r t h q u a k e En g h a e e r i n g a n d S t r u c t u r a l Dy n - i c s ， 2 0 0 2 。 3 1 ( 3 ) ： 5 61 -5 8 2 4 K al k a n E a n d Ku n n a t h S K L a t e r a l l o a d di s t r i b u ti o n i n n o n - l i n e a r s m fi c p r o c e d u r e s for s e i s mi c d e s i g n 【 A 】 P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 4 S t r u c t u r e s C o n g r e s s C Ma y 2 2 2 6 ， 2 0 0 4 ， Na s h v i l l e ， Te nne s s e e 【 5 】 叶燎 原， 潘文 结构静 力弹塑t PA( p u s h o v e O原理 和 计算 实例 】 建 筑结构 学报， 2 0 0 0 ， 2 1 ( 1 ) ： 3 7 5 1 【 6 】 杨 溥 ， 李 英 民， 王 亚 勇 ， 等 结 构静 力 弹 塑性 分析 ( P u s h o v e O法的改进 】 建筑结构学报 ，2 0 0 0 ， 2 1 ( 1 ) ： 4 4 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m