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

1、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SAP 2000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

2、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(Moment Resisting Frames，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(Steel Plate Shear Walls，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GB 500112010建筑抗震设计规范基于强度设计理论，不能

3、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，场地类别为类，设计地震分组为第一

4、组，结构层高均为3.2 m，边跨为7.8 m，中跨为4.5 m，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120 mm厚混凝土楼板，结构楼面恒荷载为4.0 kN/m2，活荷载为2.0 kN/m2，屋面恒荷载为4.5 kN/m2，屋面活荷载为2.0 kN/m2，雪荷载为0.35 kN/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。

5、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2 10层算例立面表1 5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53003001635035016H400160812H35012061043503501640040020H4402001016H36018081233503501640040020H50

6、02301016H41020081224004002050050020H5002301218H410200101414004002050050020H5202401218H4302001014表2 10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104504502050050020H350120812H34012081294504502050050020H3701601016H360160101685005002055055020H4002001016H420180101675005002055055020H4202001218H410200121865505502060060020

7、H4702001218H450200121855505502060060020H4802201218H460220121846006002065065020H5002201218H490220121836006002065065020H5002401218H480240121826506502070070025H5202401218H500240121816506502070070025H5302401218H51024012183 Pushover分析采用SAP 2000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

8、(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3 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153003001235035016H350150812H320100610143003001640040016H3901701016H380150610133503501645045016H4002001218H360180812124504501650050020H4502001218H410180812114504501650050020H4802101218H42020081210500

9、5002055055020H4802401218H45020081295005002055055020H5102401218H400200101685505502060060020H5202501218H420200101675505502060060025H5402501218H430200101666006002065065025H5602501218H440200101656006002065065025H5602601218H450200101646506502070070025H5702601218H460200101636806802572072025H5702601218H470

10、200101626806802572072025H5702601218H470200101616806802572072025H5702601218H4802001016表4 5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5H30030081240040020H400200812H40020010161 84H30030081240040020H400200812H40020010143 03H350350101450050025H400200812H40020010144 02H350350101450050025H400200812H40020010144

11、 61H350350101450050030H400200812H40020010144 8表5 10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10H350350101450050025H400200812H50020014202 49H350350101450050025H400200812H50020014203 88H350350101455055030H400200812H50020014204 87H400400121655055030H400200812H50020014205 86H400400121660060040H400200812H50

12、020014206 45H400400121660060040H4002001014H50020014207 04H450450141865065045H4002001014H50020014207 43H450450141865065045H4002001014H50020014207 82H450450141875075050H4002001014H50020014208 01H450450141875075050H4002001014H50020014208 2表6 15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15H35035010145005003

13、0H400200812H50020014202 414H350350101450050030H400200812H50020014203 813H350350101450050030H400200812H50020014204 812H450450121660060040H400200812H50020014205 611H450450121660060040H400200812H50020014226 410H450450121660060040H4002001014H50020014227 09H450450121670070050H4002001014H50020014227 68H45

14、0450141870070050H4002001014H50020014228 27H450450141870070050H4002001014H50020014228 66H450450141880080055H4002001014H50020014258 85H450450141880080055H4002001216H50020014259 24H500500162080080055H4002001216H50020014259 43H500500162085085060H4002001216H50020014259 62H500500162085085060H4002001216H50

15、020014259 61H500500162085085060H4002001216H50020014259 63.1 Pushover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GB 500112010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MR

16、F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。a5层;b10层；c15层。MRF;SPSW。图3 Pushover分析对比表7 地震属性编号 地震事件记录台站震级MR/kmamaxVmax/(cm5s-1)P0006ImperialValley117ElCentroArray#97 08 30 313g29 8P0016KernCounty1095TaftLincolnSchool7 4

17、41 00 156g15 3P0779LomaPrieta58065Saratoga?AlohaAve6 913 00 324g41 2P0809Cape89156Petrolia7 19 50 662g89 7P1005Northridge77RinaldiReceivingSta6 77 10 825g166 1P1103Kocaeli，TurkeyIzmit7 57 20 220g29 8P1504Duzce，TurkeyDuzce7 18 20 535g83 53.2 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

18、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aMRF;bSPSW。图4 10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510 cm/s2，地震波的编号，地震事件，记录台站，震级M，近

19、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aMRF;bSPSW。图5 10层地震作用下破坏示意a5层；b10层；c1

20、5层。平均值；-规范值。图6 MRF层间侧移a5层；b10层；c15层。平均值；-规范值。图7 SPSW层间侧移a5层；b10层；c15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

21、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。参考文献：1 Timler P A, Kulak G L. Experimental Study of Steel Plate Shear WallsR. Edmonton, Canada: Department of Civil Engineering University of Alberta, 1983.2 刘曙. 钢框架滞回性能试验研究J. 华中科技大学学报:自然科学版,2004, 32(10)：43

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