偏心支撑在高烈度地区框架结构体系中的运用.docx

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1.一j:一鲁嗣口一霰J|L一偶l量b!:曼.一一一一l疆li晤11r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特征周期度lo.3gJ第一组l类10.45s1-3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,本工程地处度(0.3g)抗震设防烈度区,场地土类别为类,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?98?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.,囊&tamcj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HhxbxtwxffhftrGL4焊接H650x350x12x258BR4焊接口330x14GL3焊接H800X40016x301OBR3焊接口380x14GI2焊接H900x400x16x3010BR2焊接口380x16GL1焊接H950x400x20x3012BRl焊接口380x202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1/50o3.2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:基于性能的抗震设计方法;采用两种不同计算模型的结构软件分析设计;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.OO0.735220.71480.92+0.08+0.000.71733O.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%?99?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.240.6751-2OCvO.13O_360.64O.13O36064CA0.1O0.290.520.1O0.29O.5l载.5-2.4Pushover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PushOver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Pushover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),Vu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)