基于性态设计的抗弯钢框架与钢框架钢板剪力墙结构性能对比分析.docx

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基于性态设计的抗弯钢框架与钢框架钢板剪力墙结构性能对比分析

基于性态设计的抗弯钢框架与钢框架-钢板剪力墙结构性能对比分析

摘要：

抗弯钢框架和钢框架-钢板剪力墙结构的耗能构件分别为框架梁和内填钢板，现行规范基于强度设计理论，不能保证结构的整体破坏模式。

近年来，国内外学者提出了钢结构基于性态的塑性设计方法，使得同等设计条件下，二者同时达到性能目标。

依据基于性态的设计方法设计了5层、10层及15层抗弯钢框架和钢框架-钢板剪力墙结构。

通过SAP2000建立平面分析模型，对结构进行Pushover分析和非线性时程分析，对比分析两种结构的承载力、抗侧刚度、延性指标、破坏模式以及层间侧移分布状态。

对比结果表明：

钢框架-钢板剪力墙结构具有较高的承载力和抗侧刚度，层间侧移较小，抗弯钢框架延性较好。

关键词：

抗弯钢框架；钢框架-钢板剪力墙；性能目标

抗弯钢框架（MomentResistingFrames，以下简称MRF）的主要耗能构件为框架梁，在罕遇地震作用下，依靠框架弯曲塑性变形耗散地震能量[1]，而钢框架-钢板剪力墙（SteelPlateShearWalls，以下简称SPSW）的主要耗能构件为内填钢板，结构遭遇罕遇地震作用时，内填薄钢板形成交叉斜拉力带，依靠内填钢板屈曲后的“呼吸作用”耗散地震能量[2]。

我国现行的GB50011—2010《建筑抗震设计规范》基于强度设计理论，不能保证结构性能目标和破坏模式，近年来，随着抗震理论的逐步发展，基于性态的塑性设计方法应用到钢结构体系当中[3-8]，能够控制结构的塑性变形状态和破坏模式，具有典型的性能目标。

MRF和SPSW的性能目标和理想破坏模式为：

结构在罕遇地震作用下，耗能构件（框架梁或内填钢板）屈服耗能，并且每层的耗能构件均参与耗能，层间侧移趋于一致，避免形成薄弱层。

MRF和SPSW能够获得相同的性能目标，使得二者在同种设计条件下具有对比性。

本文针对MRF和SPSW结构设计了5层、10层和15层算例，并进行性能对比分析。

1算例概况

5层、10层和15层算例，均位于8度（0.3g）抗震设防区，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，结构层高均为3.2m，边跨为7.8m，中跨为4.5m，平面布置见图1。

图1中粗线部分表示布置支撑或剪力墙的位置。

采用120mm厚混凝土楼板，结构楼面恒荷载为4.0kN/m2，活荷载为2.0kN/m2，屋面恒荷载为4.5kN/m2，屋面活荷载为2.0kN/m2，雪荷载为0.35kN/m2。

算例共3组，采用MRF结构以及SPSW结构。

结构采用Q345钢，而SPSW结构中除内填钢板采用Q235钢以外，其他构件均为Q345钢，钢材的屈服强度均取名义值。

算例分析时，取一榀结构作为平面分析模型，10层算例的平面分析模型见图2。

5层、15层算例的结构形式与10层算例相同，只是层数不同。

2设计截面

依据基于性态的塑性设计方法进行结构设计，通过预估结构的屈服位移和极限位移，确定结构屈服时的基底剪力，利用罕遇地震作用时结构的弹塑性层剪力分布模式，确定结构各层的屈服构件，对于MRF和SPSW而言，耗能构件分别为框架梁和内填钢板。

设计截面见表1—表6。

图1算例平面布置

a—抗弯钢框架（MRF）；b—钢板剪力墙（SPSW）。

图210层算例立面

表15层抗弯钢框架设计截面mm

楼层边跨柱中跨柱边跨梁中跨梁5□300×300×16□350×350×16H400×160×8×12H350×120×6×104□350×350×16□400×400×20H440×200×10×16H360×180×8×123□350×350×16□400×400×20H500×230×10×16H410×200×8×122□400×400×20□500×500×20H500×230×12×18H410×200×10×141□400×400×20□500×500×20H520×240×12×18H430×200×10×14

表210层抗弯钢框架设计截面mm

楼层边跨柱中跨柱边跨梁中跨梁10□450×450×20□500×500×20H350×120×8×12H340×120×8×129□450×450×20□500×500×20H370×160×10×16H360×160×10×168□500×500×20□550×550×20H400×200×10×16H420×180×10×167□500×500×20□550×550×20H420×200×12×18H410×200×12×186□550×550×20□600×600×20H470×200×12×18H450×200×12×185□550×550×20□600×600×20H480×220×12×18H460×220×12×184□600×600×20□650×650×20H500×220×12×18H490×220×12×183□600×600×20□650×650×20H500×240×12×18H480×240×12×182□650×650×20□700×700×25H520×240×12×18H500×240×12×181□650×650×20□700×700×25H530×240×12×18H510×240×12×18

3Pushover分析

采用SAP2000软件建立MRF及SPSW的平面分析模型，侧向力分布模式采用倒三角分布，以模拟实际地震作用。

塑性铰指定：

框架梁两端指定弯曲铰（M3铰），框架柱两端指定轴力-弯矩相关铰（P-M3铰）；钢板剪力墙中内填钢板等效为拉杆[9]，设定只拉不压，中部指定轴力铰（P铰）。

表315层抗弯钢框架设计截面mm

楼层边跨柱中跨柱边跨梁中跨梁15□300×300×12□350×350×16H350×150×8×12H320×100×6×1014□300×300×16□400×400×16H390×170×10×16H380×150×6×1013□350×350×16□450×450×16H400×200×12×18H360×180×8×1212□450×450×16□500×500×20H450×200×12×18H410×180×8×1211□450×450×16□500×500×20H480×210×12×18H420×200×8×1210□500×500×20□550×550×20H480×240×12×18H450×200×8×129□500×500×20□550×550×20H510×240×12×18H400×200×10×168□550×550×20□600×600×20H520×250×12×18H420×200×10×167□550×550×20□600×600×25H540×250×12×18H430×200×10×166□600×600×20□650×650×25H560×250×12×18H440×200×10×165□600×600×20□650×650×25H560×260×12×18H450×200×10×164□650×650×20□700×700×25H570×260×12×18H460×200×10×163□680×680×25□720×720×25H570×260×12×18H470×200×10×162□680×680×25□720×720×25H570×260×12×18H470×200×10×161□680×680×25□720×720×25H570×260×12×18H480×200×10×16

表45层钢框架-钢板剪力墙设计截面mm

楼层边跨柱中跨柱边跨梁中跨梁内填钢板厚度5H300×300×8×12□400×400×20H400×200×8×12H400×200×10×16184H300×300×8×12□400×400×20H400×200×8×12H400×200×10×14303H350×350×10×14□500×500×25H400×200×8×12H400×200×10×14402H350×350×10×14□500×500×25H400×200×8×12H400×200×10×14461H350×350×10×14□500×500×30H400×200×8×12H400×200×10×1448

表510层钢框架-钢板剪力墙设计截面mm

楼层边跨柱中跨柱边跨梁中跨梁内填钢板厚度10H350×350×10×14□500×500×25H400×200×8×12H500×200×14×20249H350×350×10×14□500×500×25H400×200×8×12H500×200×14×20388H350×350×10×14□550×550×30H400×200×8×12H500×200×14×20487H400×400×12×16□550×550×30H400×200×8×12H500×200×14×20586H400×400×12×16□600×600×40H400×200×8×12H500×200×14×20645H400×400×12×16□600×600×40H400×200×10×14H500×200×14×20704H450×450×14×18□650×650×45H400×200×10×14H500×200×14×20743H450×450×14×18□650×650×45H400×200×10×14H500×200×14×20782H450×450×14×18□750×750×50H400×200×10×14H500×200×14×20801H450×450×14×18□750×750×50H400×200×10×14H500×200×14×2082

表615层钢框架-钢板剪力墙设计截面mm

楼层边跨柱中跨柱边跨梁中跨梁内填钢板厚度15H350×350×10×14□500×500×30H400×200×8×12H500×200×14×202414H350×350×10×14□500×500×30H400×200×8×12H500×200×14×203813H350×350×10×14□500×500×30H400×200×8×12H500×200×14×204812H450×450×12×16□600×600×40H400×200×8×12H500×200×14×205611H450×450×12×16□600×600×40H400×200×8×12H500×200×14×226410H450×450×12×16□600×600×40H400×200×10×14H500×200×14×22709H450×450×12×16□700×700×50H400×200×10×14H500×200×14×22768H450×450×14×18□700×700×50H400×200×10×14H500×200×14×22827H450×450×14×18□700×700×50H400×200×10×14H500×200×14×22866H450×450×14×18□800×800×55H400×200×10×14H500×200×14×25885H450×450×14×18□800×800×55H400×200×12×16H500×200×14×25924H500×500×16×20□800×800×55H400×200×12×16H500×200×14×25943H500×500×16×20□850×850×60H400×200×12×16H500×200×14×25962H500×500×16×20□850×850×60H400×200×12×16H500×200×14×25961H500×500×16×20□850×850×60H400×200×12×16H500×200×14×2596

3.1Pushover曲线对比

通过静力弹塑性分析得到的结构基底剪力与顶点侧移曲线称为Pushover曲线，MRF与SPSW结构的Pushover曲线对比如图3所示。

MRF依靠框架梁的弯曲变形耗能，延性好，极限状态时的顶点侧移角已远超GB50011—2010《建筑抗震设计规范》[3]规定的弹塑性层间侧移限值2%。

SPSW依靠内填钢板屈曲后形成的拉力带耗能，延性较差，但具有很高的承载能力和抗侧刚度。

5层、10层和15层SPSW的承载力分别比MRF高96%、131%和192%，抗侧刚度分别比MRF大176%、165%以及92%。

SPSW结构中内填钢板屈曲后形成拉力带，依靠拉力带耗能，拉力带锚固在框架柱和框架梁上，而拉力带的充分发展塑性耗能需要框架柱和框架梁具有较大的刚度，故SPSW的设计截面中框架柱比MRF大很多，故二者承载力和抗侧刚度相差较大。

a—5层;b—10层；c—15层。

—●—MRF;—□—SPSW。

图3Pushover分析对比

表7地震属性

编号地震事件记录台站震级MR/kmamaxVmax/（cm\5s-1）P0006ImperialValley117ElCentroArray#970830313g298P0016KernCounty1095TaftLincolnSchool744100156g153P0779LomaPrieta58065Saratoga?

AlohaAve691300324g412P0809Cape89156Petrolia71950662g897P1005Northridge77RinaldiReceivingSta67710825g1661P1103Kocaeli，TurkeyIzmit75720220g298P1504Duzce，TurkeyDuzce71820535g835

3.2破坏模式对比

MRF和SPSW模型在静力推覆至极限状态时的破坏状态如图4所示。

MRF和SPSW基本符合性态设计的预期性能目标，MRF每层框架梁均参与耗能，最终柱脚形成塑性铰发生破坏，且没有明显的薄弱层出现；SPSW的破坏过程为内填钢板先形成斜拉力带，然后内填钢板所在跨的框架梁形成塑性铰，然后边跨梁形成塑性铰，最终柱脚形成塑性铰发生破坏。

二者具有接近的破坏模式，符合设计预期，使得二者的性能具有可比性。

4时程分析

a—MRF;b—SPSW。

图410层静力推覆破坏示意

对结构进行非线性时程分析，能够直接观察结构在罕遇地震作用下的反应。

根据场地类别和地震分组，从太平洋地震工程数据库选取7条天然地震波，峰值加速度调整为8度（0.3g），罕遇地震水准对应的加速度为510cm/s2，地震波的编号，地震事件，记录台站，震级M，近断层距离R，峰值加速度amax，峰值速度Vmax如表7所示。

根据结构设计的预期性能目标，结构在罕遇地震水准的地震波激励下，耗能构件（框架梁或内填钢板）作为主要屈服构件进入塑性耗散地震能量，图5给出了结构在P1005地震波激励下的破坏状态。

MRF的每层框架梁均屈服耗能，且塑性铰仅在耗能构件——框架梁出现，SPSW中内填钢板作为主要耗能构件发挥了主要耗能作用，且变形沿结构高度较为均匀，没有明显薄弱层出现。

图6—图8给出了各个算例模型在7条天然地震波激励下的层间侧移沿结构高度的分布，以及层间侧移结果平均值的对比。

由于各条地震波频谱特

a—MRF;b—SPSW。

图510层地震作用下破坏示意

a—5层；b—10层；c—15层。

—●—平均值；---规范值。

图6MRF层间侧移

a—5层；b—10层；c—15层。

—○—平均值；---规范值。

图7SPSW层间侧移

a—5层；b—10层；c—15层。

—●—MRF；—○—SPSW;---规范值。

图8层间侧移对比性各异，故层间侧移有所差别，层间侧移沿高度的分布趋势比较一致，中间各层侧移比较接近，由于柱底刚接，底层刚度较大，底层层间侧移较小，而顶部由于层剪力较小，故层侧移也较小。

非线性时程分析结果的平均值与规范限值对比可以看出，结构弹塑性层间侧移角限值均符合规范规定。

MRF与SPSW比较可以看出，MRF的结构刚度较弱，层间侧移较大。

5结束语

本文通过性态设计方法设计了5层、10层、15层的抗弯钢框架结构和钢框架-钢板剪力墙结构，采用静力推覆分析和动力弹塑性分析对结构进行性能化对比，两种结构均符合预期设计目标。

抗弯钢框架具有良好的延性，钢框架-钢板剪力墙具有很高的结构承载力和刚度，且层间侧移较小。

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