蔣

(上海大學(xué)土木工程系,上海 200444)

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展和鋼產(chǎn)量的提高,鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展受到廣泛的關(guān)注和重視,尤其在抗震設(shè)防較高的地區(qū),采用鋼結(jié)構(gòu)能充分地發(fā)揮鋼材良好的變形性能。交錯桁架結(jié)構(gòu)體系是一種新型的鋼結(jié)構(gòu)體系,是由麻省理工學(xué)院在20世紀60年代開發(fā)的新型結(jié)構(gòu)體系,由于這種結(jié)構(gòu)體系的承重桁架在縱向和垂直方向交錯布置,因此被稱為交錯桁架鋼框架結(jié)構(gòu)體系[1]。

交錯桁架結(jié)構(gòu)體系在加拿大、美國等國家已有較多應(yīng)用,而在我國,盡管實際工程應(yīng)用相對較少,但周緒紅[12]等已經(jīng)對交錯桁架結(jié)構(gòu)體系取得了豐富的研究成果。由于該結(jié)構(gòu)的用鋼量比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)減少50%左右[7],抗震性能良好,已被列為建設(shè)部科技重點攻關(guān)項目。

交錯桁架鋼框架結(jié)構(gòu)由外圍鋼柱、平面桁架和樓面板組成。如圖1(a)所示,鋼柱僅在建筑周圍布置,中間無鋼柱。平面桁架的高度與建筑層高一致,長度和建筑寬度一致。桁架兩端支撐于外圍鋼柱上,桁架在縱向和垂直方向交錯布置,樓板一端置于桁架上弦,另一端置于相鄰桁架的下弦。

如圖1所示,交錯桁架結(jié)構(gòu)根據(jù)腹桿的布置情況,可以分為帕式桁架、空腹桁架和混合式桁架。相關(guān)研究表明[2-3],混合式桁架能夠提供較大的側(cè)向剛度,因此工程上一般采用混合式桁架。相比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu),交錯桁架結(jié)構(gòu)有三大特點:①鋼材可以采用高強度材料,因此自重減輕[4];②橫向桁架剛度較大,因此桿件主要承受軸力,結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移較小;③桁架交錯布置,因此建筑上可以有兩倍的柱距,從而可以間接降低柱距和樓板的跨度,使得樓板厚度減小,達到用鋼量減少的目的。

1 交錯桁架-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系

混合式交錯桁架相對于空腹交錯桁架具有更好的抗震性能[7]。文獻[11]指出空腹桁架是一種不經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)形式,因此本文在混合式交錯桁架的基礎(chǔ)上,對其進行改進,提出一種更先進的鋼結(jié)構(gòu)-交錯桁架鋼框架-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系。鋼板剪力墻在垂直方向交錯布置,如圖2(a)所示,剪力墻布置于無桁架樓層的中間,寬度為一榀桁架寬度,高度為建筑物層高;三維簡圖如圖2(b)所示,在縱向鋼板剪力墻也同樣交錯布置,從而保證了建筑仍然擁有兩倍的柱距,不影響正常使用。

根據(jù)《交錯桁架結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[6],交錯桁架的橫向跨度不宜大于21 m。本文希望通過增加鋼板剪力墻,能夠提高結(jié)構(gòu)的橫向剛度,從而提高橫向跨度的目的,以使結(jié)構(gòu)能夠運用于大跨度建筑,突破現(xiàn)有規(guī)范對于跨度限值的要求。

2 計算模型設(shè)計

為簡化分析,本文以二維結(jié)構(gòu)為例,利用SAP2000有限元軟件建立4種交錯桁架結(jié)構(gòu)模型(圖3),算例如下,結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸參數(shù)如表1所示,剪力墻采用殼單元模擬,剪力墻邊緣構(gòu)件采用H型截面,尺寸同框架柱,剪力墻布置簡圖如圖4所示。柱、桁架采用梁單元模擬:

圖2 交錯桁架鋼框架-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系Fig.2 Hybrid truss-steel plate shear wall

算例1 結(jié)構(gòu)共14層,層高3 m,桁架腹桿節(jié)點間距2.5 m,共7個節(jié)間,總跨度17.5 m;

算例2 結(jié)構(gòu)共14層,層高3 m,桁架腹桿節(jié)點間距2.5 m,共7個節(jié)間,在無桁架的樓層中間布置鋼板剪力墻,總跨度17.5 m;

算例3 結(jié)構(gòu)共14層,層高3 m,桁架腹桿節(jié)點間距3 m,共9個節(jié)間,總跨度27 m;

算例4 結(jié)構(gòu)共14層,層高3 m,桁架腹桿節(jié)點間距3 m,共9個節(jié)間,在無桁架的樓層中間布置鋼板剪力墻,總跨度27 m。

表1 構(gòu)件尺寸Table 1 Component size

本結(jié)構(gòu)所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度,Ⅱ類場地,設(shè)計地震分組為第二組,基本加速度0.2g,場地特征周期0.4 s,結(jié)構(gòu)阻尼比為0.04,按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]對荷載進行取值,并對樓面荷載進行折算施加于結(jié)構(gòu)上。結(jié)構(gòu)節(jié)點連接方式:腹桿與弦桿鉸接,柱與基礎(chǔ)剛接,剪力墻與弦桿剛接。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

圖4 鋼板剪力墻構(gòu)成Fig.4 Configuration of SPSW

3 計算結(jié)果分析

3.1 反應(yīng)譜分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[8](以下簡稱《抗規(guī)》),運用SAP2000進行反應(yīng)譜輸入,得到4種模型在地震作用下的樓層位移和層間位移角如表2所示,分析樓層位移和層間位移角(圖5和圖6),其目標是判斷結(jié)構(gòu)是否具有足夠的抗側(cè)剛度,保證結(jié)構(gòu)在遭遇地震時仍然處于彈性狀態(tài),從而使結(jié)構(gòu)仍處于正常使用的極限狀態(tài)。

圖5 樓層位移Fig.5 Displacement of floors

圖6 層間位移角包絡(luò)圖Fig.6 Envelope diagram of inter-story drifts

表2 反應(yīng)譜分析下4種算例的樓層位移和層間位移角Table 2 Floors displacement and inter-story drifts of four cases under spectrum response analysis

通過圖6可以看出,結(jié)構(gòu)的層間位移角呈折線狀,這是由于桁架錯層布置導(dǎo)致相鄰樓層抗側(cè)剛度不一致。通過表2和圖4得知,算例2和算例4在增加鋼板剪力墻后,樓層位移減少30%以上,最大樓層位移減少約50%,由此可見鋼板對于減少結(jié)構(gòu)的側(cè)移非常有效。

根據(jù)《抗規(guī)》,結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角不宜大于1/250,從表2可以看出，算例1的第三層層間位移角為1/181,大于規(guī)范的要求,算例3的第3層、第5層、第7層也均不滿足規(guī)范要求;通過附加鋼板剪力墻后,可以看到層間位移角明顯降低,且均滿足《抗規(guī)》的要求。從圖6也可知增加鋼板后算例2和算例4的層間位移角包絡(luò)圖明顯比算例1和算例2降低,說明鋼板剪力墻能有效增加結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度,從而減少結(jié)構(gòu)的側(cè)移和層間位移角,對于大跨度結(jié)構(gòu),效果更為明顯。

3.2 罕遇地震下的時程分析

時程分析是通過直接積分的方法來獲得結(jié)構(gòu)在每一瞬態(tài)的地震動力反應(yīng),進而能夠了解結(jié)構(gòu)在地震波作用下位移、加速度、內(nèi)力等隨著時間變化的過程,可以計算結(jié)構(gòu)在非線性階段的動力反應(yīng),對結(jié)構(gòu)進行罕遇地震下的驗算,從而得到薄弱部位[5]。

文獻[10]指出,地震波選取應(yīng)考慮地震反應(yīng)的地域性,必須包括實際強震記錄后調(diào)整的加速度時程。本結(jié)構(gòu)處于二類場地,因此選用二類場地常用的El Centro波,地震波持續(xù)時間30 s,時間間隔0.02 s,加速度峰值341.4 cm/s2,根據(jù)《抗規(guī)》,8度地區(qū)罕遇地震加速度時程最大值為400 cm/s2,因此調(diào)整系數(shù)為1.172。采用SAP2000的非線性分析功能和直接積分法,運用SAP2000對四種算例進行模型建立,對其進行彈塑性時程分析,分別得到混合式交錯桁架、混合式交錯桁架-鋼板剪力墻等4種算例的頂層位移時程曲線。

圖7、圖8分別給出了4種算例在El Centro波罕遇地震下的頂層位移時程曲線。從圖中可以看出,算例1和算例3在罕遇地震下的位移反應(yīng)較大,而在增加鋼板剪力墻后,頂層位移反應(yīng)明顯降低,在0～10 s,位移反應(yīng)降低約35%,而在10～20 s,算例2和算例4的位移反應(yīng)減少70%以上。

表3給出了4種算例的頂層最大位移及出現(xiàn)時刻,從表中可以看出算例2比算例1的最大頂點位移降低57.13%,算例4比算例3的最大頂點位移降低71.36%,鋼板剪力墻的作用得以體現(xiàn)。對于大跨度結(jié)構(gòu),可以看出鋼板剪力墻的作用更大。

圖7 El Centro波罕遇地震下的頂層位移時程曲線(算例1和算例2)Fig.7 Time history curve of top displacement under rare earthquake of El Centro wave (case 1 and case 2)

圖8 El Centro波罕遇地震下的頂層位移時程曲線(算例3和算例4)Fig.8 Time history curve of top displacement under rare earthquake of El Centro wave (case 3 and 4)

表3 4種算例頂層位移最大值Table 3 Maximum top displacement of four cases

表4給出了4種算例在El Centro波罕遇地震下的最大層間位移角及其出現(xiàn)樓層,圖9給出了時程分析下的層間位移角包絡(luò)圖。

由于算例3采用27 m大跨度結(jié)構(gòu),很容易可以看出算例3的層間位移角最大,最大層間位移角為1/68,但仍然滿足規(guī)范1/50的要求;在增加鋼板剪力墻以后,算例4的最大層間位移角為1/117,減少了41.88%。同樣,算例2在增加鋼板剪力墻后,最大層間位移角由算例1的1/100降低為1/199,降低了49.7%。

表4 El Centro波罕遇地震下的最大層間位移角Table 4 Maximum envelope of inter-story drift under rare earthquake of EL Centro wave

圖9 El Centro波罕遇地震下的層間位移角包絡(luò)圖Fig.9 Envelope diagram of inter-story drift under rare earthquake of El Centro wave

由此可見交錯桁架-鋼板剪力墻體系比傳統(tǒng)的混合式交錯桁架有更好的抗震性能,增加鋼板后,結(jié)構(gòu)的橫向剛度增加,同時鋼板剪力墻是良好的耗能構(gòu)件,因此在遭遇罕遇地震時,結(jié)構(gòu)依然不會發(fā)生破壞,達到《抗規(guī)》所規(guī)定的大震不倒的要求。

3.3 用鋼量分析

運用SAP2000中的自動截面和優(yōu)化設(shè)計功能,對4種模型進行優(yōu)化設(shè)計,以得到最優(yōu)的用鋼量,達到節(jié)約鋼材的目的,表5給出了4個算例的用鋼量。

表5 用鋼量統(tǒng)計Table 5 Steel quantity statistics t

從表中可以看出,在結(jié)構(gòu)跨度相同時,采用鋼板剪力墻的算例2比算例1用鋼量提高77.75%,算例4比算例3用鋼量增加68.28%;而對于不同的結(jié)構(gòu)跨度,算例3比算例1用鋼量增加38.39%,算例4比算例2用鋼量增加31.01%。因此可以看出當結(jié)構(gòu)跨度較小時,采用鋼板剪力墻時用鋼量明顯增加,略顯不經(jīng)濟,而當結(jié)構(gòu)跨度增加時,尤其對于大跨度結(jié)構(gòu),當采用鋼板剪力墻時,用鋼量的增加比率較傳統(tǒng)混合式交錯桁架低,而且加入鋼板剪力墻后結(jié)構(gòu)的抗震性能顯著提高。

4 結(jié) 論

目前對于交錯桁架結(jié)構(gòu)在國內(nèi)運用較少,本文提出了一種新型交錯桁架結(jié)構(gòu),并運用SAP2000建立4個計算模型進行數(shù)值模擬和抗震性能分析,得出以下結(jié)論:

(1) 相對于混合式交錯桁架結(jié)構(gòu),交錯桁架-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系橫向剛度較大,能更有效地抵抗地震作用,其樓層位移、層間位移角比混合式桁架降低30%以上,對于大跨度結(jié)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢。

(2) 當遭遇罕遇地震時,交錯桁架的薄弱層一般處于3～5層,因此在設(shè)計時應(yīng)當加強底部的抗震構(gòu)造措施。

(3) 交錯桁架-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系的用鋼量較大,當結(jié)構(gòu)跨度較小時,由于混合式交錯桁架也能滿足抗震要求,因而會顯得不經(jīng)濟;而對于大跨度鋼結(jié)構(gòu),混合式交錯桁架很難滿足要求,需要大幅度增加用鋼量而導(dǎo)致鋼材的邊際效用很低,因此在同等抗震性能下,交錯桁架-鋼板剪力墻反而具有較高的經(jīng)濟價值。

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