石若利,李其倫,劉 濤,史少華

(1.云南大學 建筑與規(guī)劃學院,云南 昆明 650500;2.四川文理學院 建筑工程學院,四川 達州 635000)

在土建領域中,大部分的施工過程都會有大量冗余的建筑廢料以及有害物質排出[1],而綠色建筑就是在滿足建筑最主要的承載力要求與安全耐久性的基礎之上,要求使用的建筑材料和施工方法盡可能的環(huán)保、低污染[2-6].其中,以全鋼結構建造的建筑能夠將綠色建筑的節(jié)能、低碳、節(jié)約材料、耗水量低等理念有效地結合并在建筑上體現(xiàn).建筑結構的抗震性得到學者廣泛關注,方鄂華等[7]針對高層建筑的抗震問題做了相關的研究;歐近平等[8]對結構建筑的能量耗散減震技術進行了改進;劉其祥等[9]在2010年對高層鋼結構建筑中的梁柱的連接設計方法進行了研究,并指出了現(xiàn)有技術的矛盾與不足;Sendanayake等[10]在高層鋼結構建筑的連接方法上給出了隔震鏈接方案;Simoncelli等[11]對鋼結構抗震結構的研究取得了新的進展,Radkia等[12]則是對非對稱鋼結構建筑的隔震抗震功能提出了新思路,Katsimpini等[13-14]利用翹板系統(tǒng)對低層鋼結構建筑和高層鋼結構的屈曲約束支撐建立模型研究其抗震性能.本文以實際工程案例中的一座35層鋼結構建筑為研究對象,利用時程分析法研究抗震性;基于pushover分析法得到T形、L形鋼管混凝土柱結構的基底位移剪力曲線,分析其抗震性是否滿足要求.研究鋼結構綠色建筑的抗震性.

1 鋼結構建筑的抗震性分析

1.1 時程分析法研究抗震性

通過時程分析法繪制結構的載荷-位移曲線,研究其抗震性.鋼結構建筑所在場地的基本烈度為Ⅵ度,取其地震最大加速度為49.03 cm·s-2;分別輸入Taft波、EI-Centro波和人工波模擬該地實際地震波,同時求取其地震波單項輸入;選定的地震波含有1 579個數(shù)據(jù),運算耗時72 h,利用PKPM軟件進行結構分析.

1.2 pushover分析法測試抗震性

基于pushover分析法研究地震時建筑中T形、L形鋼管混凝土柱與混凝土組合建筑的內力與位移情況,以評估其抗震性.pushover分析法是靜力彈塑性分析法,其與反應譜相結合,能展現(xiàn)地震條件下建筑結構的變換過程,其基本步驟如下.

1)基于pushover分析法得到所選結構的載荷-位移曲線,即表示結構側向總剪力與頂點側向位移關系的pushover曲線.

2)建立能力譜曲線,將步驟1)得到的pushover曲線轉換為譜加速度sa和譜位移sd的關系曲線,其轉換公式為

3)建立彈塑性需求譜曲線,采用試算和逼近的方法確保獲得的性能點誤差盡可能小,并將其對應的譜位移轉化成選定結構的目標位移,用得到的頂點最大位移和層間角位移分析其抗震性.

在用pushover分析法對結構進行抗震性能分析時,為分析地震時結構的各變形情況,選定均布加載和倒三角加載2種水平側力加載模式和X、Y兩個方向,組合為結構重力+X方向加速度、結構重力+Y方向加速度、結構重力+1階振型、結構重力+2階振型4種加載模式.其中,模態(tài)1和模態(tài)2分別指1階振型(X方向)和2階振型(Y方向).

2 工程實例

2.1 工程總體概況及模型假設

取實際工程案例中的一座35層的鋼結構建筑為研究對象,對其進行抗震穩(wěn)定性的檢測與調查.取鋼結構建筑的首層樓高為5 m,其他樓層層高為3 m.該鋼結構建筑首層采用的是箱型基礎,相較于一般的實體單元,箱型基礎剛度較大,穩(wěn)定性較好,能有效降低基礎沉降量.另一方面,箱型基礎和上部結構能較好地嵌固于地基,能降低結構重心,增加結構整體性,故其抗震性較好.

其上的樓層則用T形、L形鋼管混凝土柱構建其外框,樓板則用壓型鋼板構建.

1)綠色鋼結構建筑相關參數(shù).綠色鋼結構建筑部分關鍵數(shù)據(jù)如表1所示,其中,鋼材選用Q345B,墻體混凝土選用C40.

表1 綠色鋼結構建筑關鍵構件參數(shù)Table 1 Key component parameters of green steel structure building mm

2)模型基本假設.在計算結構抗震變量和參數(shù)時,有以下假定:①將選取的理想狀態(tài)下模型參數(shù)作為設計體系模型;②地下部分抵抗變形能力較強,剛度加大,故基礎對其的嵌固作用很強,計算時將基礎及結構地下部分看作完全嵌固的結構;③利用等效條件,將2種鋼結構混凝土的剛度數(shù)據(jù)等效折算出來.

PKPM具有強大的計算能力,能進行復雜的運算,用其在進行復雜結構有限元分析時,可準確分析結構的時程、位移譜和瞬態(tài)動力等,基于此,分析建筑結構的抗震性.

2.2 鋼管混凝土組合異形柱概況

本文選定結構為3.5 mm厚的開孔鋼板焊接鋼筋混凝土柱形成的T形、L形異形柱,并以其作為A戶型測試對象,利用PKPM軟件建模,設置好邊界條件并進行加載,再進行分析求解,分析其抗震性.圖1為建立的綠色鋼結構建筑剖面圖,建立好的A戶型建筑的承重框架如圖2所示.

圖1 綠色鋼結構建筑剖面Fig.1 Section of green steel structure building

圖2 A戶型建筑的承重框架Fig.2 Load bearing frame of apartment A

墻單元相較桿單元而言,其體積和面積越大,剛度和穩(wěn)定性越好,同等受力條件下,其變形越小,

因而在計算模型中,使用墻單元模擬連接板,以使結構更加牢固.在3階振型中2種單元的變形參數(shù)如表2所示.

表2 異形柱結構自振特性Table 2 Natural vibration characteristics of the structure with special-shaped columns

2.3 高度對結構抗震性的影響

在研究建筑結構抗震性能時,為分析高度對其的影響,分別以結構的10、25、35層為研究對象,利用時程分析法進行結構的動力計算,求得對整個地震持續(xù)時間中建筑實際產生的位移狀況,并繪出相應X方向的條形圖(見圖3).

圖3 X方向地震波作用下綠色建筑時程分析Fig.3 Time-history analysis of green building under X-direction seismic wave

圖3給出結構在EI波、Taft波和人工地震波輸入條件下,結構的X方向位移值,由此可分析不同樓層的測試對象的抗震性能,得出具有普遍性的結論.由圖3可得:在輸入3種不同的地震波的情況下,所得的結構位移-時間曲線有相似的變化規(guī)律,且結構最大位移出現(xiàn)時間不受地震波輸入不同的影響,結構位移隨樓層高度增加而增大,這是因為隨著樓層增高,結構剛度減小,在地震作用下,建筑受力集中,變形增大,改變了結構原有的受力模式和屈服機制,結構抗震性變差.模型計算時復核計算長度系數(shù),適當加大較高層柱配筋率,增設芯柱;設計時提高抗震性能目標至中震受剪力,可以較好地提升高樓層遇震時的抗震性能[15].

2.4 結構抗震性能分析

2.4.1.靜力彈、塑性分析

基于靜力彈、塑性分析方法,得到在4種不同加載模式條件下結構的基底剪力-頂點位移曲線如圖4所示.由圖4可知,結構在4種加載模式下呈現(xiàn)相似變化規(guī)律,均為曲線前期平滑上升,達到臨界點后,則呈下降趨勢,此時結構開始進入塑性狀態(tài).模態(tài)1(X方向)加載的臨界點為12 mm,模態(tài)2(Y方向)加載的臨界點為10 mm,造成這種波動不同步的原因是結構的不對稱分布,導致Y方向的加速度偏心大.

圖4 基底剪力-頂點位移曲線Fig.4 Base shear force-vertex displacement curve

利用式(1)及式(2),將得到的pushover曲線轉換為能力譜曲線,同時建立彈、塑性需求譜曲線,把得到的能力譜曲線和需求譜曲線放在同一個坐標中,如兩曲線相交,則稱結構存在性能點,亦表明結構抗震性較好,反之較弱.也就是說:試件長度與其破壞特征呈正向變化,其偏心距越大,則偏壓承載力越低;偏心方向對偏心受壓性能的影響相對較小[16].

本文選擇的鋼結構建筑存在性能點,其參數(shù)如表3所示.由表3可知,加載方向一定時,相較于均布加載,倒三角加載的結構頂點位移更大,而譜位移和基底剪力無明顯規(guī)律.

表3 綠色鋼結構建筑異形柱結構的性能點參數(shù)Table 3 Performance point parameters of the green steel structure with special-shaped columns

2.4.2 結構側向變形分析

基于pushover分析法,得到結構的側向變形數(shù)據(jù)如表4所示,根據(jù)鋼結構抗震規(guī)范[17]可知,當結構的層間位移角不超過1/60時,滿足抗震要求.因此,由表4的數(shù)據(jù)可知,4種加載模式下所得到的最大層間位移角均小于1/50,故結構抗震性符合規(guī)范要求.

表4 不同載荷工況下鋼結構建筑異形柱結構的層間位移角最大值Table 4 Maximum inter-story displacement angle of special-shaped column structure of steelstructure building under different load conditions

3 結 論

本文針對鋼結構的高度對鋼結構建筑的抗震性影響和結構抗震性進行分析.基于時程分析法得出3種地震波輸入下結構不同樓層的時間-位移曲線,分析高度對結構的抗震性的影響,同時利用pushover分析法,通過對結構基剪力進行控制,得到鋼結構在4種不同加載條件下的基底剪力-頂點位移值,以分析其抗震性能,得出以下結論.

1)地震作用下,不同樓層高度的建筑結構會在同一時間達到最大位移,且建筑結構隨樓層高度增大建筑結構的整體剛度降低;相同加載條件下,建筑受力集中,變形增大,結構抗震性變差.

2)所選取的鋼結構方鋼管混凝土組合異形柱在4種加載模態(tài)下所得到的最大層間位移角均小于1/50,故結構抗震性符合規(guī)范要求.

隨著工業(yè)的發(fā)展,煉鋼技術的提高,我國鋼產量一直保持逐年增長趨勢,到2021年全年產量將超過11億t.同時,全球人口的增長及人民對美好生活的追求也迫切要求科學家們找到解決現(xiàn)有居住面積無法滿足人民需求的問題的途徑,鋼結構建筑除具有施工時間短、施工不受季節(jié)影響、強度高、自重輕等優(yōu)點外,其環(huán)保指標也優(yōu)于鋼筋混凝土結構和磚混混凝土結構,適合工程使用.但在建造高層鋼結構建筑時,應該更多地關注結構在地震作用下的變形與位移,如果能解決高層鋼結構建筑抗震問題,就解決了人民的居住問題,也符合綠色發(fā)展理念.