范曉斌

(上海電氣集團(tuán)國(guó)控環(huán)球工程有限公司，山西 太原 030000)

1 概述

阻尼比在組合結(jié)構(gòu)中已經(jīng)超出了經(jīng)典的結(jié)構(gòu)阻尼，屬于非經(jīng)典結(jié)構(gòu)阻尼，雖然目前對(duì)于非經(jīng)典結(jié)構(gòu)阻尼的計(jì)算方法較多[1]，大多[2-4]采用復(fù)振型方法進(jìn)行分析，但由于該方法的復(fù)雜性而未得到工程師的廣泛認(rèn)可，而造成其取值成為目前國(guó)內(nèi)比較具有爭(zhēng)議的問(wèn)題，文獻(xiàn)[6]中11.3.5條給出了組合結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的阻尼比可取為0.04；而在廣州432 m高西塔樓組合結(jié)構(gòu)和山西中醫(yī)學(xué)院組合加層結(jié)構(gòu)中取值阻尼比0.035，均不同于單一材料的阻尼比；文獻(xiàn)[5]中提到對(duì)于組合結(jié)構(gòu)取單一阻尼比不合適，建議采用電算比較方便的應(yīng)變能因子法進(jìn)行抗震計(jì)算；影響阻尼比的主要因素是組成結(jié)構(gòu)的材料剛度，但如何考慮剛度對(duì)阻尼比的量化取值，目前還沒(méi)有界定，本文從工程實(shí)踐出發(fā)，主要研究了鋼材對(duì)組合結(jié)構(gòu)阻尼比的影響。

2 工程背景

某項(xiàng)目為組合結(jié)構(gòu)，8度(0.02g)，場(chǎng)地類(lèi)別Ⅲ類(lèi)，地上8層，上部4層為鋼結(jié)構(gòu)，下部為混凝土結(jié)構(gòu)，層高6.5 m, 建筑高度52 m，主要構(gòu)件截面如下所示：

1)鋼柱采用H500×500×18×22的鋼柱;2)鋼梁采用H650×300×18×20;3)混凝土柱采用b×h=750×750;4)混凝土梁采用b×h=450×600;5)支撐采用H400×400×21×28。

3 計(jì)算理論

組合結(jié)構(gòu)中因使用了不同材料，經(jīng)典阻尼矩陣已不能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)抗震性能，而在滿(mǎn)足工程需要的前提下MIDAS/GEN軟件通過(guò)應(yīng)變能因子方法引入組阻尼比計(jì)算各個(gè)振型的阻尼比，其中結(jié)構(gòu)的第i個(gè)振型的阻尼比可根據(jù)所有單元的第i振型的能量和來(lái)計(jì)算，即式(1)。

(1)

其中,ED為消散能;ES為應(yīng)變能。

4 MIDAS/GEN建模及分析

4.1 結(jié)構(gòu)模型

首先根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與實(shí)際尺寸，按照實(shí)際工程尺寸分層建模[8]，如圖1所示。

然后經(jīng)過(guò)Pushover分析得到結(jié)構(gòu)塑性鉸分布如圖2所示，從圖2中可以看出結(jié)構(gòu)的薄弱位置基本上均發(fā)生在三、四層位置，而且上部鋼結(jié)構(gòu)部分的塑性鉸基本都發(fā)生在支撐和梁端，符合抗震主次構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

最后建立4+1,4+2,4+3,4+4 4種模型如圖3所示。

4.2 模態(tài)分析結(jié)果

表1 組合結(jié)構(gòu)模型周期比

由表1中可以看出結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)并不明顯，符合《高規(guī)》規(guī)定。

4.3 反應(yīng)譜分析結(jié)果

4.3.1剛度比分析

剛度比是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則性和薄弱層的重要指標(biāo)。文獻(xiàn)[7]第3.4.3條規(guī)定，“混凝土房屋、鋼結(jié)構(gòu)房屋和鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)房屋存在表3.4.3-2所列舉的側(cè)向剛度不規(guī)則，即其樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80%?！北疚耐ㄟ^(guò)反應(yīng)譜分析得到了該結(jié)構(gòu)的薄弱層為第三、四層，即混凝土與鋼結(jié)構(gòu)交接處及下一層為薄弱層，這與前面Pushover分析得到的結(jié)構(gòu)基本一致，其各層側(cè)向剛度如表2所示。

表2 組合結(jié)構(gòu)各層側(cè)向剛度

由表2可以看出結(jié)構(gòu)在豎向存在不規(guī)則現(xiàn)象，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生大震時(shí)極易在這個(gè)部位倒塌。且層剛度與層數(shù)關(guān)系不大，所以豎向不規(guī)則部位基本不變，在此不作贅述。

4.3.2層間角位移分析

通過(guò)圖4可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是多遇地震，還是罕遇地震情況下，組合結(jié)構(gòu)的層間角位移基本符合各自材料組成結(jié)構(gòu)層間角位移與層高之間關(guān)系的曲線(xiàn)，而上部的鋼結(jié)構(gòu)由于設(shè)置了支撐，普遍小于下部混凝土結(jié)構(gòu)的層間角位移；最大層間角位移位置并未隨著鋼結(jié)構(gòu)層數(shù)的增減而發(fā)生變化，都在3層～4層之間，這也再次證明了層數(shù)對(duì)層剛度的影響不大，即薄弱層也是層間角位移最大的部位；總體上來(lái)看，結(jié)構(gòu)從彈性階段到彈塑性階段，其薄弱層即為該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，如圖3所示；通過(guò)關(guān)鍵部位及節(jié)點(diǎn)角位移相關(guān)數(shù)據(jù)整理分析，可以比較全面地反映結(jié)構(gòu)的彈塑性階段的工作性能。

5 組合結(jié)構(gòu)阻尼比的選取

5.1 單一阻尼比下的反應(yīng)譜分析

考慮到層剛度主要與梁、柱及墻的截面尺寸和形狀及層高關(guān)系密切，所以本文通過(guò)結(jié)構(gòu)從多遇地震到罕遇地震作用下，薄弱層由彈性階段到彈塑性階段的發(fā)展過(guò)程，以薄弱層層間角位移為指標(biāo)，討論鋼結(jié)構(gòu)不同層數(shù)下對(duì)單一阻尼比的影響關(guān)系，通過(guò)反應(yīng)譜分析結(jié)果可知，4個(gè)模型下阻尼比關(guān)鍵層層間角位移如表3所示。

表3 組合結(jié)構(gòu)薄弱層單一阻尼比下層間角位移 rad

5.2 組阻尼下的反應(yīng)譜分析

考慮到層剛度主要與梁、柱及墻的截面尺寸和形狀及層高關(guān)系密切，所以本文通過(guò)結(jié)構(gòu)從多遇地震到罕遇地震作用下，薄弱層由彈性階段到彈塑性階段的發(fā)展過(guò)程，以層間角位移為指標(biāo)，討論不同材料不同層數(shù)下對(duì)組阻尼比的影響關(guān)系，通過(guò)反應(yīng)譜分析結(jié)果可知，4個(gè)模型下阻尼比關(guān)鍵層層間角位移如表4所示。

表4 組合結(jié)構(gòu)薄弱層應(yīng)變能因子法層間角位移 rad

5.3 兩種分析方法下進(jìn)行比較

運(yùn)用4種模型選用單一阻尼和組阻尼分別計(jì)算得到的薄弱層層間角位移，通過(guò)分析比較可知，阻尼比的選取對(duì)混合結(jié)構(gòu)在地震作用下的分析影響較大，且與組成結(jié)構(gòu)的材料剛度有著密切的關(guān)系，從數(shù)據(jù)中可以看出4+4模型中當(dāng)單一阻尼比取0.032時(shí)與組阻尼下計(jì)算的層間角位移基本一致，而隨著鋼結(jié)構(gòu)層數(shù)的減少單一阻尼比選的越大，與組阻尼下計(jì)算的結(jié)果也就越接近。

6 結(jié)論

通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析，本文提出在進(jìn)行類(lèi)似組合結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算時(shí)阻尼系數(shù)應(yīng)取ζ=0.03～0.045，即:當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)所占組合結(jié)構(gòu)的剛度達(dá)到50%以上時(shí)，宜取阻尼比ζ=0.03～0.032；當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)所占組合結(jié)構(gòu)的剛度達(dá)到40%～50%時(shí)，宜取阻尼比ζ=0.032～0.035；當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)所占組合結(jié)構(gòu)的剛度達(dá)到30%～40%時(shí)，宜取阻尼比ζ=0.035～0.038；當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)所占組合結(jié)構(gòu)的剛度小于30%時(shí)，宜取阻尼比ζ=0.038～0.045。