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偏心支撑在高烈度地区框架结构体系中的运用

园林,建筑,规划与结构设计墟耐固蓑窿2011年o3月
偏心支撑在高烈度地区框架结构体系中的运用

1概述
张伟玉

1.1工程概况
某商业广场项目位于宿迁市府新区.整体设一层地下室,地
上设多个单体,其中BO1栋地上部分主屋面高度25.5m,采用带
偏心支撑的框架结构体系.地上五层,平面尺寸约78x138m,建
筑平面见图1.
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图1B01栋建筑平面

1.2抗震设防基本参数
表1抗震设防基本参数
抗震设防烈度1设计基本地震加速度}设计地震分组1建筑场地类别1特征周期
Ⅷ度lo.3gJ第一组lⅢ类10.45s

1-3结构方案的选择

B01栋地上五层,单层建筑面积约10500m,基本柱网为

10.5x10.8m,周边外挑3.5m左右,柱数量相对一般柱网尺寸的
建筑要少,单柱受荷面积较大;同时,本工程地处Ⅷ度(0.3g)抗
震设防烈度区,场地土类别为Ⅲ类,采用纯框架结构时,经试算,
剪重比超过14%,地上一层柱需要做到1300x1300的截面,对建
筑功能有严重影响.
由于建筑功能为大型商场,室内空旷,仅在楼梯间周边有建
筑墙体,若采用框架剪力墙结构体系,可布置抗震墙的位置有
限.经对框剪结构体系验算,位移角按1/80o控制,第一自振周
期0.55s,接近场地土特征周期0.45s,剪重比接近20%,底部500
厚墙体普遍抗剪截面超限.
从结构角度讲,本工程地处高烈度区,较适宜采用自重轻的
钢结构体系,位移角限值也较宽松,钢结构抗震性能好.但考虑
到钢结构防火,防腐费用的增加和后期维护等实际问题,未采用
钢结构体系.最后确定结构形式为带偏心支撑的框架结构.
偏心支撑框架的设计理论较成熟,是在中心支撑框架的基
础上将支撑杆的一端水平偏心形成消能梁段,综合了中心支撑
框架的强度,刚度和抗弯框架的非弹性性能及能量耗散能力的

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优点.本工程采用的三种偏心支撑框架形式见图2:(a)D形

EBF,(b)人字形EBF支撑,(c)V形EBF支撑.

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图2偏心支撑框架简图
偏心支撑框架原理为主动利用消能梁段塑性铰作为消能单
元,在循环荷载作用下的非弹性性能仅被限制在消能梁段发生,
从而吸收和耗散大量的能量,避免在支撑和相连接的柱上出铰,
保护框架梁柱节点,提高结构延性性能和耐震性能,是强震区的
一
种较合适的结构体系.
方案阶段对减震框架和偏心支撑框架两种结构方案进行了
比较分析,在抗震性能接近的条件下,减震框架的造价明显较
高,结合业主意见,最终确定采用带偏心支撑的框架结构体系.

1-4关于偏心支撑体系的说明
本工程偏心支撑体系的消能梁段及其同跨非消能梁段采用
焊接组合H型钢截面,消能梁段长度a取0.15L(L为支撑所在
跨的钢梁长度),按剪切屈服型消能梁段设计.在小震作用下,以
钢梁腹板刚好达到抗剪弹性极限承载力为原则,通过调整支撑
体系的榀数和焊接组合钢梁的截面尺寸匹配各层所需抗侧承载
力.在大震作用下,D形,V形EBF支撑消能梁段受剪屈服先于
受弯屈服或受弯不屈服,人字形消EBF支撑能梁段仅发生受剪
屈服.
支撑所在跨的框架柱采用钢骨混凝土柱,以提高其承受较
大竖向力的承载能力和延性.支撑采用矩形钢管截面,长细比满
足《抗规》8.5节关于框架一偏心支撑结构抗震构造措施控制长细
比的要求.型钢,钢梁和支撑采用Q345B级钢.消能梁段和支撑
的主要截面见表2.
表2偏心支撑体系消能梁段和支撑截面表
钢粱钢梁截面钢支撑截面焊接口c>钢支撑编号
编号焊接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基本设计参数
根据规范的相关条文要求,B01栋结构分析及设计采用的

2011年03月匿赫国曩商园林,建筑,规划与结构设计
基本参数见表3.
表3抗震设计基本参数
项目BO1栋
设计基准期5O年
设计使用年限50年
安全等级二级
结构重要性系数1.O
地上层数(高度)五层(25.5m)
地下室层数(高度)地下～层(5.7m)
抗震设防类别重点设防类
结构体系带偏心支撑框架
抗震设防烈度Ⅷ度
设计基本地震加速度0.30g
设计地震分组第一组
场地类别.III类
抗震措施一级抗震等级
构造措施一级
特征周期0.45s
弹性阻尼比0.045
周期折减系数0-8O
常遇地震0.24
水平地震影响系数偶遇地震0

.

675最大值～
罕遇地震1.20
注:以地下室顶部作为上部结构的嵌固端.

3结构抗震性能目标

3.1层间位移角限值

v根据《抗规》表5.5.1对弹性层问位移角限值的规定,各类全钢
结构房屋的弹性层间位移角限值均为1/300.本案带偏心支撑框
架结构体系的支撑与钢梁均为钢结构,支撑所在跨的框架柱为
钢骨混凝土构件,其它框架梁柱均为钢筋混凝土构件.参照《抗
规》表5.5.1,并考虑到支撑对刚度的提高作用,取小震作用下位
移角限值为1/650,比钢筋混凝土框架结构位移角限值有所提
高.
《抗规》对中震作用下的结构性能没有提出量化指标.美国

SEAOC的vision2000委员会对建筑物基于性能的抗震工程中,
结构在不同性能水平下的侧移见表4.
表4vision2000建议的结构性能侧移限值
破坏状态I没有破坏l可修复l不可修复l严重破坏
最大侧移角J1/500J1/20011/67J1/40
参照上表,中震作用下位移角限值偏安全地取1/250.

((抗规》表5.5.5对弹塑性层问位移角限值:各类全钢结构房
屋和钢筋混凝土框架结构均为1/50.本工程大震作用下位移角
限值也确定为1/50o

3.2抗震性能要求
根据规范抗震设防精神,结合结构不同部位构件的重要性,
并参考了类似工程的设计经验,本工程抗震性能目标见下表5.
地震水准多遇地震(小震)偶遇地震(中震)罕遇地震(大震)
性能等级没有破坏有破坏但可修补不可倒塌
允许层问位移角1,6501/25ol,5O
框架柱性能弹性可低阶段屈服控制塑性转角
框架梁性能弹性可低阶段屈服控制塑性转角
消能梁段性能弹性塑性消能塑性消能
支撑性能弹性不屈服,不屈曲不屈服,不屈曲

3_3抗震性能保证措施
本工程主要采取了以下三项措施来保证结构的安全性:①
基于性能的抗震设计方法;②采用两种不同计算模型的结构软
件分析设计;③采用静力弹塑性推覆分析判别在中震和大震作
用下的抗震性能.
本工程属于偏低高度建筑,高宽比小,从反应谱分析结果反
映的地震力为倒三角分布,适合采用静力弹塑性推覆分析了解
其抗震能力.

4B01栋结构两种分析软件小震弹性计算结果
比较

4.1计算软件及计算模型
结构分别采用SATWE(2007版)和ETABS(9.2.0)两种不同
力学模型的三维空间分析软件进行计算.模型中包含了地上5层
和地下室,以给出更准确的分析结果.模型在首层以及地下室楼
层约束水平位移,模型中的结构构件按照结构图纸进行布置.两
种模型输入相同参数,并对主要方向的地震和风荷载都进行了计
算,由于风荷载效应很小,比较时着重考虑地震作用计算结果.

4.2结构自振周期和振型

SATWE和ETABS均计算了结构的前15阶振型振型与周
期计算结构见表6.两种软件的计算结果相近,相差在5%以内;
振型参与质量均不小于总质量的90%,满足规范要求.
表6SATWE和ETABS结构振型对比

SATWEETABS振型
周期振型系数(x+Y+扭转)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
总质量(t)1O4453106600
有效质量系数(前15阶)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结构位移与位移比
小震作用下结构的位移主要计算结果见表7.
项目x向地震Y向地震
结构顶点最大位移SATWE34-3235.28

(run)ETABS42.936.2
最大层间位移角(楼SATWE1,6691/652
层)ETABS1/6561/645
偶偏地震下最大位SATE1.031.05
移比ETABS1.041.O7
两种软件的计算结果比较接近,基本符合1/650的位移角
限值要求.其它各指标也均符合规范要求.

4.4振型质量参与系数

ETABS振型质量参与系数计算结果见表8
表8ETABS振型质量参与系数
振型X向平动质量Y向平动质量扭转振动质量
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%

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园林,建筑,规划与结构设计建硒圈蒜礴2011年03月
可见两个方向平动振型质量参与系数超过75%,主振型效
应明显,符合本结构特点.
综合上述比较结果,本模型建模准确,分析结果可靠,结构
体系能满足小震作用下的性能要求.

5B01栋结构静力弹塑性推覆分析

5.1分析目的
进行本结构的静力弹塑性推覆分析主要达到如下目的:

(1)揭示结构弹塑性性能表现和结构弹塑性变形行为;

(2)判断结构是否存在薄弱层或薄弱部位以及薄弱程度;

(3)评价结构在中震和大震下的弹塑性行为,根据主要构件
的塑性损伤情况和整体变形情况,判定结构是否满足”中震可
修,大震不倒”的抗震设防目标;

(4)提示结构的屈服发生发展过程.

5.2分析方法

5.2.1塑性铰参数
本工程采用ETABS软件进行静力弹塑性推覆分析,钢构件
截面预先设定并经验算满足规范要求,钢筋混凝土构件的配筋
由软件对小震下的振型分解反应谱法分析得到,并通过调整内
力系数使计算配筋与施工图实配钢筋基本接近.采用程序提供
的缺省塑性铰本构模型,根据计算钢筋面积自动生成塑性铰参
数.
将型钢混凝土柱以等刚原则代换为钢筋混凝土柱,并将柱
内型钢按等强原则代换为钢筋.按以下方式指定塑性铰:

(1)地上1层,2层和开始变截面的4层框架柱上下两端指
定PMM(轴力+双向弯矩)铰,地上1层框架柱下端增加指定V2

(主剪力)铰;

(2)指定地上2层,3层楼面框架梁两端M3(主弯矩)铰,2
层楼面框架梁两端增加指定V2(主剪力)铰;

(3)在偏心支撑体系的消能梁段中部指定V2(主剪力)铰;

(4)与柱连接的消能梁段上,近柱一端指定PM3(轴力+主弯
矩)铰;

(5)钢支撑中部指定P(轴力)铰.

5.2.2反应谱参数
进行弹塑性大震分析时,根据《抗规》5.1.4条的规定,场地
特征周期增加0.05s,即取Tg--0.5s;考虑到结构体系中含有部分
钢构件,阻尼比取∈=0.04于偏低高度建筑,前两阶主要振型质量参与
系数超过75%,采用振型荷载(倒三角形荷载)模式施加侧推荷

?100?
地震方向x向Y向
主振型周期0.7173s0.7352s
地震水准小震中震大震小震中震大震
水平地震影响系数0.240.6751.2OO.240.6751-2O

CvO.13O_360.64O.13O36064

CA0.1O0.290.520.1O0.29O.5l
载.

5-2.4Push—over分析荷载工况
首先定义重力荷载代表值作用下的非线性分析作为Push—

Over分析第一工况,分析控制方式为力控制;各方向侧推水平荷
载及其组合作为其它工况,以位移控制方式控制分析过程.主要

Push—over工况有:

(1)重力荷载代表值非线性静力分析;

(2)重力+振型2(X向)非线性静力分析;

(3)重力+振型1(Y向)非线性静力分析.
在第2工况和第3工况分析中均考虑P一△效应.

5_3分析过程及结果
各方向推覆分析过程主要包括以下两步:
第一步:施加重力荷载代表值非线性工况;
第二步:维持第一步荷载不变,采用设定的荷载模式,用单
调增加水平荷载进行静力弹塑性推覆分析.

5.4分析结果概述
以下主要从结构性能点(需求谱与能力谱曲线交点),V—u
曲线,层间位移角,塑性铰的分布与出现过程等方面对本结构的
抗震性能进行说明.

5.4.1从位移角与性能点分析结果得出结论

(1)本结构在对应各地震水准的推覆工况下层间位移角均
满足限值要求,其中大震水准下的最大层问位移角约1/80.

(2)X向抗侧移刚度较Y向大,这与x向有13跨柱网而Y
向仅7跨柱网有关.

(3)X向中震作用下,整体刚进入屈服阶段;大震作用下,处
于整体屈服阶段的中部.

(4)Y向中震作用下,整体仅表现出较低水平的屈服;大震
作用下,也是刚进入屈服阶段.

5.4.2从塑性铰发生与发展分析结果得出如下结论
通过对本结构的静力弹塑性结果进行分析,可以得出如下
结论;

(1)本结构在对应各地震水准的推覆工况下层间位移角均
满足限值要求.

(2)对应中震推覆荷载作用下,仅发生少部分塑性铰,且主
要主要分布在预定要求产铰的消能梁段上,整个推覆过程中,支
撑杆未产铰,符合偏心支撑框架结构体系的耗能机理.塑性铰状
态符△’’大震不倒”设防目标的要求.

(3)现结构体系满足规范要求的”小震弹性,中震可修,大震
不倒”的抗震设防性能目标,可以确定现设计是安全的.
本工程目前已顺利通过施工图审查,经与同类普通框架房
屋比较,每平米钢筋用量节约20%以上,创造了较好的经济及社
会效益.

(作者单位:金宸建筑设计有限公司)