高层超限钢结构框架——支撑结构设计

吴菲

【摘要】在本案，笔者结合xxx高层钢结构办公楼，浅析高层超限钢结构框架-支撑结构的设计。其中，在设计环节，运用SATWE、ETABS软件来进行弹性时程与Pushover分析，并据此研究计算矩形钢管砼框架-钢支撑结构体系。研究结果显示，结构抗震性能的验收指标与设计要求完全相符。

【关键词】高层建筑；钢结构框架-支撑结构；弹性时程

【中图分类号】TU393【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2017）02-0021-02

引言

xxx高层钢结构办公楼的主体结构高98.55m及其高:宽为3.57:1。其中，地面主体结构共25层，其设计使用年限、耐久年限分别为50年和100年；安全等级设为Ⅱ级；抗震设防烈度设为Ⅷ度；基本地震加速度设为0.20g。针对这一案例，其设计方案通过比较选定为钢结构框架-支撑结构形式。下面，笔者将结合结构分析模型展开论述。

1.结构分析模型

1.1模拟构件

在ETABS中，主要从如下方面来进行构件模拟：支撑用Brace单元组件进行模拟及支撑材料选为非线性钢材，注意将钢屈曲效应考虑其中；钢管砼柱用纤维模型进行模拟，并分别以砼与钢管为依据来划分截面的纤维，注意将钢管的约束力考虑其中；钢管柱用塑性铰模型进行模拟，并将P-M-M弯矩曲率铰设在构件的端部；主梁用塑性铰模型进行模拟，并将弯矩曲率铰设在构件端部；次梁毅弹性构件为依据进行模拟；屈曲约束支撑用P铰进行模拟。

1.2创建钢管砼柱纤维模型

钢材应力-应变关系用双线性模型进行描述，但不将强度损失和屈曲效应考虑其中。钢管砼柱核心砼的应力-应变关系以5折线模型为参考依据，注意将砼的强度损失考虑其中；钢筋砼柱组件以实际柱长的0.2倍为依据来将纤维段组合成纤维模型。

1.3创建钢梁与钢管柱塑性铰模型

运用构件弹塑性分析程序来计算构件的弯矩-曲率关系，并据此得到骨架曲线，用以对（P-M-M）弯矩曲率铰进行定义，其中构件弹塑性分析程序的基础是材料的本构关系。针对构件的塑性发展，以弯矩-曲率塑性铰为切入口进行考虑，并选取0.5D的辅助长度，其中D表示构件截面的高度。通常而言，弯矩-曲率塑性铰应设在构件曲率存在较大变化的梁端部等部位，而其他部位则以弹性构件段为依据进行考虑。

2.分析结果

2.1自振特性

表1所示为钢结构框架-支撑结构的基本自振周期统计。

结合图1，在每一层楼板的约束力作用下，外框架（主要为剪切型变形）的变形协调，同时在屈曲约束支撑作用下，外框架的变形与弯曲、剪切形及弯剪形变形不同，但中间层仍出现最大层间位移。

2.3弹性时程分析

在案例工程中，弹性时程分析共用7条波形，其中包括位于Ⅲ类场地的5条实测地震波（即：USER9146、USER728、USER928、USER20、TH3TG065）及2条人工地震波（即：RH1TG065、RH2TG065）。依据规定，通过对上述7条波形做归一化处理，可将其用在弹性时程分析中，即用以作为输入加速度来输入计算单向地震波，同时以所选地震波为依据来绘制地震影响系数曲线。通过与规范规定的取向相比，7条波形的平均地震影响系数曲线在统计意义上与振型分解反应谱法用到的地震影响系数曲线相符。据此可得，钢结构框架-支撑结构的时程分析与规范要求相符，即：地震波的底部地震剪力都＞65%CQC及其均值＞80%CQC；地震波计算≤135%及其均值≤120%。

2.4中震不屈服分析

运用弹性量化计算方法来确定薄弱的构件，并按要求加强，然后再结合小震与罕遇地震的抗震设计规定，用以实现高层超限钢结构框架-支撑结构的抗震设防目标，即为大震不倒、中震可修和小震不坏。针对底部加强区的支撑与框架柱，通过核算中震承载力的标准值来保证其中震可修。根据中震验算结果可得如下结论：一是框架梁屈服及框架柱不屈服，即其最大应力比为0.96；二是支撑轴向力的最大值均低于屈曲约束支撑对应的屈服承载力；三是中震位移角的X、Y向分别为1/147和1/145，这满足变形比弹性位移的3倍小的要求。

2.5静力弹塑性分析

在本案，笔者引入PUSHOVER（弹塑性静力推覆分析），用以描述结构在地震时的弹塑性、潜在的薄弱处、塑性铰的行程及罕遇地震时的弹塑性位移。通过分析可得如下结论：一是若模型设有屈曲约束支撑，则结构的塑性铰先出现在屈曲约束支撑上，再出现在邻区的梁端上，同时屈曲约束支撑先出现耗能状态，而某些框架梁在地震作用力的强化过程中逐渐参与耗能，塑性铰未在框架柱上出现，表明结构耗能主要出现在屈曲约束支撑上及整体结构与要求规定的“强柱弱梁”准则相符；二是若模型设有屈曲约束支撑，则在罕遇地震下，结构的整体变形在规定限值内，且地震能量可被耗能主构件完全消耗。

3.结语

综上，在地震作用下，案例工程中钢结构框架-支撑结构的设计符合《建筑抗震设计规范》的要求，比如：结构在小震作用下处在弹性状态，而部分构件在大震作用下的塑性程度较大，且弹塑性的验算指标与规范相符相符。另外，对于支撑而言，其作为结构的抗侧体系，可提供抗扭刚度。

参考文献

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