王海榮+畢玉玲

摘 要：隨著建筑功能的多樣化發(fā)展，樓板大開(kāi)洞結(jié)構(gòu)作為平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)的一種在工程中的應(yīng)用越來(lái)越多。本文通過(guò)有限元軟件ETABS對(duì)一典型樓板大開(kāi)洞鋼框架工程實(shí)例進(jìn)行模態(tài)分析，研究屈曲約束支撐的布置對(duì)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)控制措施。通過(guò)屈曲約束支撐布置前后樓板大開(kāi)洞鋼框架的模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比，得出屈曲約束支撐的布置有效地控制了結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)，提高了鋼框架的抗震性能。

關(guān)鍵詞：鋼框架；模態(tài)分析；扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.015

1 引言

歷次大地震的震害表明[1，2]，地震作用極易誘發(fā)不規(guī)則鋼框架發(fā)生嚴(yán)重震害，尤其樓板大開(kāi)洞的鋼框架，其樓層剛度已經(jīng)被極大地削弱，又因?yàn)槠矫娌贾貌煌耆珜?duì)稱，結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心出現(xiàn)偏移，所以樓板大開(kāi)洞鋼框架的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)尤為明顯。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提高鋼框架的抗扭剛度是提高其抗震性能的關(guān)鍵，而屈曲約束支撐以其優(yōu)良減震效果得到越來(lái)越多的應(yīng)用[3，4]。在鋼框架的受力過(guò)程中，屈曲約束支撐因?yàn)闃?gòu)造原因，在拉壓兩種受力狀態(tài)下均可以屈服，而不會(huì)發(fā)生屈曲，這大大提高了它的耗能能力。模態(tài)是結(jié)構(gòu)自身固有的，整體的動(dòng)力特性的反應(yīng)，可以通過(guò)有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算獲得，通過(guò)模態(tài)分析可以預(yù)言結(jié)構(gòu)受到外在作用時(shí)的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)，方便進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 工程實(shí)例概況

本節(jié)通過(guò)選取典型的樓板大開(kāi)洞的工程實(shí)例來(lái)對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行分析研究。所選結(jié)構(gòu)位于北京，是某大型綜合辦公樓中的作為垂直交通和水平交通中心的鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目。該結(jié)構(gòu)共計(jì)七層，建筑總高度為33.7m，首層層高6.25m，二層層高5.15m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.4m，頂層層高4.7m。結(jié)構(gòu)采用圓柱，鋼柱直徑為500mm，上下一致。在電梯井周邊，設(shè)有兩排矩形鋼柱，尺寸分別為200mm×200mm，200mm×300mm?？蚣芰航孛鏋镠600×200×14×25，次梁截面不等。樓板為鋼筋混凝土樓板，C30混凝土。屋面恒載為5 kN/m2；屋面活載為2 kN/m2；樓面恒載5.5 kN/m2；樓面活載2.5 kN/m2；基本雪壓0.40 kN/m2?；撅L(fēng)壓ω0=0.45kN/m2。本工程位于8度（0.2g）抗震設(shè)防區(qū)，場(chǎng)地類別B類，結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為三級(jí)。

由于建筑效果需求，該結(jié)構(gòu)平面近似中部位置從底層至六層樓板貫通開(kāi)洞洞口形狀相似，因?yàn)榻ㄖ煨?，頂層處洞口有所不同。結(jié)構(gòu)平面中心處樓板大開(kāi)洞，開(kāi)洞尺寸約為18.2m×18.6m，上下貫穿整個(gè)建筑物，開(kāi)洞面積接近鋼框架整個(gè)平面面積的32%。

3 分析結(jié)果

本文主要采用振型分解反應(yīng)譜法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用和風(fēng)荷載作用下整體分析，以模態(tài)結(jié)果中的振型形狀、自振周期和周期比、振型參與系數(shù)四個(gè)方面對(duì)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行分析。根據(jù)原結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，對(duì)其沿著主軸X方向?qū)ΨQ地布置兩道屈曲約束支撐，通過(guò)ETABS軟件對(duì)二者的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析如下。

3.1 振型分析

本文主要對(duì)該鋼框架的前三階基本振型進(jìn)行分析。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，原結(jié)構(gòu)首先發(fā)生沿X軸主方向的水平振動(dòng)，說(shuō)明X軸方向的抗側(cè)剛度較弱，屈曲約束支撐的布置使結(jié)構(gòu)沿X方向的平動(dòng)變?yōu)榈诙裥?，說(shuō)明屈曲約束支撐使結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較弱的主軸方向變得相對(duì)較強(qiáng)。更重要的是，屈曲約束支撐布置后，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)由第2階變?yōu)橄鄬?duì)靠后的第三階，說(shuō)明樓板大開(kāi)洞鋼框架的結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)狀況得到改善，抗震性能得到提高。

3.2 自振周期與周期比

本文主要對(duì)結(jié)構(gòu)的前六階自振周期進(jìn)行分析，添加屈曲約束支撐后，結(jié)構(gòu)的前六階自振周期普遍偏小，前兩階降幅較大，第三階往后，自振周期降幅減小。自振周期反應(yīng)結(jié)構(gòu)整體剛度的變化，屈曲約束支撐的布置，提高了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，同時(shí)增加了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，使結(jié)構(gòu)自振周期降低。

周期比是結(jié)構(gòu)的第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期的比值，反映了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，周期比 提高則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增強(qiáng)。屈曲約束支撐添加后，結(jié)構(gòu)周期比由原來(lái)的超過(guò)規(guī)范限值，降為0.6278，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范限值0.85[6]，約變?yōu)樵瓉?lái)周期比的73%，由此可知，屈曲約束支撐的布置有效緩解了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

3.3 振型參與系數(shù)

振型參與系數(shù)表示該振型在結(jié)構(gòu)振動(dòng)過(guò)程中的貢獻(xiàn)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)中該振型特性越強(qiáng)則其振型參與系數(shù)越大。由上表可知，添加屈曲約束支撐后，樓板大開(kāi)洞鋼框架的各階振型更加分明，平扭耦聯(lián)現(xiàn)象得到緩解，整體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)得到控制。

4 結(jié)論

（1）屈曲約束支撐的添加可以有效提高樓板大開(kāi)洞鋼框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和抗扭剛度，緩解結(jié)構(gòu)由于功能要求造成的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

（2）樓板大開(kāi)洞鋼框架結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)原始偏心和抗側(cè)剛度弱等原因造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，多遇地震作用和風(fēng)荷載下的模態(tài)分析中扭轉(zhuǎn)變形出現(xiàn)在第2振型，而屈曲約束支撐的布置使其扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)的次序推遲。這有效改善了樓板大開(kāi)洞鋼框架的整體扭轉(zhuǎn)性能，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏璉，王森，韋承基.水平地震作用下不對(duì)稱不規(guī)則結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)方法研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2005，35（08）：12-17.

[2]李英民，韓軍，劉建偉.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)周期比控制指標(biāo)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009，30（06）：77-85.

[3]王秀麗，蔡建輝.帶BRB的不規(guī)則框架抗震性能研究[J].甘肅科學(xué)報(bào)，2010，22（03）：112-116.

[4]馮曼，王澤軍.防屈曲耗能支撐在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的耗能減震分析.四川建筑科學(xué)研究，2014，40（02）：184-191.

[5]GB50011-2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[6]JGJ3-2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[7]DBJ/CT105-2011.TJ 屈曲約束支撐應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].2011.

[8]北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院編著.ETABS中文版使用指南[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.