第 5 期杨志勇, 等 : 地震波输入角度对钢网格盒式束筒结构响应的影响 553 [5] 后效应, 讨论了墙架刚度角柱刚度对该结构体系剪力滞后效应的影响. 王建硕等研究了空间钢网格盒式结构不规则楼板分别在刚性楼板假定和弹性楼板假定下板的应力集中现象. 本文拟建空间钢网格盒式高层束筒结构, 建立数

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坤夏
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第 37 卷第 5 期华侨大学学报 ( 自然科学版 ) Vol.37 No.5 2016 年 9 月 JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience) Sep.2016 犱狅犻 : 10.11830 /ISSN.1000 5013.

1 第 37 卷第 5 期华侨大学学报 ( 自然科学版 ) Vol.37 No 年 9 月 JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience) Sep.2016 犱狅犻 : /ISSN 地震波输入角度对钢网格盒式束筒结构响应的影响杨志勇, 马克俭, 孙敬明 ( 贵州大学空间结构研究中心, 贵州贵阳 ) 摘要 : 为研究空间钢网格盒式束筒结构在地震作用下的弹塑性性能, 采用 ETABS 有限元软件建立数值模型. 通过改变地震波输入角度, 对钢网格盒式束筒结构进行罕遇地震作用下弹塑性时程分析. 从结构顶点时程位移基底剪力层间扭转角及各构件塑性发展进行对比分析, 寻求对结构不利的地震波输入角度. 分析结果表明 : 坐标轴方向并不是地震波作用的最危险方向, 与结构犡轴成 45 左右的方向对该结构的影响最大 ; 盒式束筒结构抗震防线明确, 具有良好的抗震性能. 关键词 : 不同角度 ; 地震波 ; 盒式束筒结构 ; 弹塑性时程分析中图分类号 : TU973 文献标志码 : A 文章编号 : (2016) 犈犳犳犲犮狊狅犳犛犲犻狊犿犻犮犠犪狏犲犐狀狆狌犃狀犵犾犲狅狀犚犲狊狆狅狀狊犲狅犳犛犲犲犾犌狉犻犱犆犪狊狊犲犲犅狌狀犱犾犲犱犜狌犫犲犛狉狌犮狌狉犲 YANGZhiyong,MA Kejian,SUNJingming (SpaceStructureResearchCenter,GuizhouUniversity,Guiyang550003,China) 犃犫狊狉犪犮 : Inordertostudytheelasticandplasticpropertiesofspacesteelgridcassetebundledtubestruc turesundertheearthquakeaction,thenumericalmodelwasestablishedusingetabssoftware.theelastic? plastictime?historyanalysisofthestructuresunderrareearthquakeactionwasperformedwithdiferentinput anglesofseismicwaves.theanalysisresultsincludingstructuraltopdisplacement,thebaseshearforce,floor displacementanglesandplasticdevelopmentofcomponentsarecomparedtofindunfavorableseismicwavein putangleagainststructure.analysisresultsshow:themostunfavorabledirectionoftheearthquakeactionsis notthe 犡 axis,butistheangleof45 to 犡 axis;thecassetebundletubestructurehasgoodseismicperform ance. 犓犲狔狑狅狉犱狊 : diferentangles;seismicwaves;cassetebundledtubestructure;elastic?plastictimehistoryanal ysis 空间钢网格盒式束筒结构体系是一种由网格式框架协同式钢空腹夹层板和核心筒剪力墙构成的新型结构体系. 该结构体系具有良好的空间受力性能, 建筑功能和空间能够灵活划分, 目前该结构主要 [1] [2] 应用于大跨空间结构高层及超高层建筑结构中.Lu 等研究了钢? 混凝土组合结构在改进塑性铰方 [3] 法作用下, 结构前后屈服行为的非线性分析.Jeyarajan 等研究了钢? 混凝土组合框架结构在柱失稳情 [4] 况下的一些加强措施. 余德冕等研究了空间钢网格盒式筒中筒结构在水平力作用下产生的剪力滞收稿日期 : 通信作者 : 马克俭 (1934 ), 男, 教授, 院士, 主要从事大跨度高层及超高层空间结构的研究.E mail:makejian2002@ 163.com. 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( /E080502); 贵州大学研究生创新基金资助项目 ( )

2 第 5 期杨志勇, 等 : 地震波输入角度对钢网格盒式束筒结构响应的影响 553 [5] 后效应, 讨论了墙架刚度角柱刚度对该结构体系剪力滞后效应的影响. 王建硕等研究了空间钢网格盒式结构不规则楼板分别在刚性楼板假定和弹性楼板假定下板的应力集中现象. 本文拟建空间钢网格盒式高层束筒结构, 建立数值模型对其进行动力弹塑性时程分析. 1 结构数值分析模型以某拟建工程为例, 共 30 层, 标准层层高为 3.1m, 总高度为 93m, 建筑平面尺寸为 32.5m 32.5 m, 内核心筒尺寸为 8.0 m 8.0 m, 平面尺寸及核心筒大小满足 GB 建筑抗震设计规范 [6] 和 JGJ 高层建筑混凝土结构技术规程 [7]. 假设防烈度为 7 (0.10g); 地震组为第一组 ; 场地类别为 Ⅱ 类 ; 场地特征周期为 0.35s; 结构阻尼比为 4%; 地面粗糙类别为 B 类 ; 基本风压为 0.35 Pa; 楼面附加恒载 ( 自质量除外 ) 为 1.5Pa, 楼面活荷载为 3.5Pa( 考虑隔墙线荷载折算面荷载 ); 空腹 T 型梁截面尺寸为 100mm 150mm 8mm 12mm. 根据组合梁中的规定, 考虑两侧混凝土板的刚度 [1,8] 贡献, 按照抗弯刚度相等原则, 将空腹 T 型梁折算为截面尺寸为 330mm 150mm 8mm 12mm 的 H 型钢. 钢网格式框架沿楼层层高划分为 3 小层, 每小层层高由住宅的窗户高度来控制, 层高分别为 800,1500,800mm. 钢梁钢柱采用 Q345, 核心筒钢筋采用 HRB400, 混凝土强度分别采用 C35,C30, 楼板混凝土强度均为 C30, 钢筋采用 HRB400. 数值模型主要截面尺寸, 如表 1 所示. 模型结构平面图, 如图 1 所示. 表 1 主要截面构件尺寸 Tab.1 Sectionsofmainmembers 构件类型截面尺寸 /mm 构件类型截面尺寸 /mm 框架柱 1 框架柱 2 框架柱 3 框架柱 4 H H H H 剪力墙 1 剪力墙 2 剪力墙 3 剪力墙楼层框架梁 H 层间框架梁 H 图 1 平面布置图 ( 单位 :mm) Fig.1 Planlayout(unit:mm) 2 动力弹塑性分析 [9?12] 2.1 非线性材料的定义 ETABS 有限元软件中提供了按照中国规范规定的非线性材料本构关系. 根据文献 [12]ETABS 软件中默认的混凝土本构模型, 钢材及钢筋采用双折线模型, 在进行动力弹塑性分析之前, 需要定义材料的本构关系和恢复力模型, 混凝土采用 Takeda 模型, 钢筋与钢材都采用随动硬化模型. 2.2 塑性铰指定及分层壳定义 [13?14] 数值模型中的梁柱采用框架单元, 钢框架梁考虑弯曲屈服而产生的塑性铰, 在两端指定默认 M3 型铰, 混凝土连梁的塑性铰指定与钢框架梁相似, 都采用默认的 M3 型铰, 不同的是需将连梁的的配筋面积输入到连梁的框架属性当中, 钢框架柱考虑轴力与弯矩的作用, 两端设置图 2 剪力和弯矩及 PMM 的默认 P?M2?M3 型铰, 如图 2 所示. 耦合铰默认属性 ETABS 软件中, 对剪力墙的模拟采用分层壳单元. 分层壳在厚度 Fig.2 Hingedefault 方向上允许存在任意数量的层, 每层都具有独立的位置厚度及材料. 因此, 可以用分层壳模拟混凝土剪力墙中的混凝土水平和竖向钢筋. 具有分层截面属性的壳单元可以考虑线性非线性混合材料行为. 对每层选 propertiesofshearforce, bendingmomentand PMMcoupling 择一个材料材料角及每层的平面内应力? 应变关系分别对应是线性 \ 非线性 \ 无效. 2.3 地震波的选取结构的弹塑性时程反应根据输入地震波的不同, 计算分析结果相差较大 [15?16]. 为了使弹塑性时程分析结果能够真实反映出结构的动力响应及构件变形, 应该合理选取地震波. 根据建筑抗震设计规范及犺狆 : 狑狑狑. 犺犱狓犫. 犺狇狌. 犲犱狌. 犮狀

3 华侨大学学报自然科学版５５４２０１６年条文说明规定选取两条天然波与一条人工波并将选取的地震波输入ＥＴＡＢＳ软件进行弹性时程计算将弹性时程结果与反应谱结果进行对比计算结果如表２所示表２中犞ｄ为基底剪力数值模型中选取的３条地震波时程曲线如图３所示图３中犪为加速度为时间由表２可知在两条天然波和一条人表２地震波与反应谱计算结果对比工波的弹性时程作用下基底剪力均位于Ｔｂ２Ｃｕｎｕｍ反应谱计算结果的６５１３５之间在３ｗｖｎｄｐｎｐ条地震波弹性时程作用下基底剪力的平均值均大于反应谱计算结果的８０且小于１２０因此选取的３条地震波均满足规范要求将选取的地震波按照规范的要求根据设防烈度调至罕遇地震２２０ｍ２并且分别进行了犡犢方向的地震响应时程分析为了确保地震波的实用性在Ｃｈ波?Ｃｈ地震波名犞ｄｋｎ犡方向犢方向Ｃｈ?Ｃｈ２７１５７６７２９５９３６３６Ｎｈｄｇ２８５８０４２８３６８４２５ＲＨ４ＴＧ０３５平均值８８２８１９３５８５９４２８８６６３３８３３６６４９４０反应谱计算值２７７１４４０８２５ｂＮｈｄｇ波ＲＨ４ＴＧ０３５人工波图３地震波时程曲线３Ｔｍｈｖｍｗｖｙｕ进行动力弹塑性之前对所选择的地震波通过Ｓｍｓ软件进行傅ｇｎ里叶变换将地震波主波与规范的反应谱在结构的主要振型周期进行对比如图４所示图４中为时间由图４可知前３阶周期 η 为地震影响系数相差不到２０吻合程度很好３动力弹塑性分析结果１顶点位移时程曲线盒式束筒结构分别在０输入地震波的地震作用下的弹塑性分析顶点位移时程曲线如图５６所示图５６中狊为位图４反应谱对比图４Ｃｍｐｎｈｄｐｎｐｕｍｇｎ移狊ｍｘ为最大顶点位移在地震波作用初期结构处于弹性阶段材料刚度和强度 ω 为地震波输入角度没有退化无论地震波与犡轴成０输入还是与犡轴成输入结构沿犡犢向的顶点位移相差较小由图５可知由于结构两个方向的刚度不同随着地震波作用的持续进行地震波与犡轴成０方向输入时结构犡方向弹塑性反应的最大时程位移分别为２１０７５６９５６５０８６７４１２１２１７８４ｍｍ犢方向弹塑性反应的最大时程位移分别为１８１６２２８４２５２７９５２５２４２９２１２５ｍｍ由图６可知结构犡方向的顶点位移随地震波作用的角度增大先减小后增大在地震波犡轴方向输入时达到最大值２１０７ｍｍ则说明该数值模型在地震波犡方向作用时结构犡向为薄弱方向结构犢方向的顶点位移随地震波作用的角度增大先增大后减小在地震波与犡轴成方向输入时达到最大值２５ｍｍ而并不在犢轴方向输入达到最大值说明该数值模型在地震波与犡轴成方向时结构犢向为薄弱方向结构两个方向的顶点均远小于高规犺犺犱狓犫犺狇狌犲犱狌犮狀狆狑狑狑

4 第５期杨志勇等地震波输入角度对钢网格盒式束筒结构响应的影响５５５所规定的位移限制７ｍｍ说明盒式束筒结构具有良好的抗侧刚度犡方向ｂ犢方向图５位移时程曲线图６最大顶点位移随地震波作用变化５Ｔｍｈｖｄｐｍｎｙｕ６Ｍｘｍｕｍｐｄｐｍｎｄｎｍｗｖ２基底剪力时程曲线盒式束筒结构分别在０方向输入地震波时双向地震作用下的弹塑性分析基底剪力时程曲线如图７所示由图７可知地震波作用初期结构处于弹性阶段整个结构的刚度和强度还未退化结构犡犢向的基底剪力大小基本相同由于结构两个方向的刚度不同随着地震波作用的持续进行地震波与犡轴成０方向输入时结构犡方向弹塑性反应的最大基底时程剪力分别为８５３４７１７６１４４３３９３１５８５１２６２４１４３５０２３７３７４３８３犢方向弹塑性反应的最大基底时程剪力分别为１１４０６６７１３９５９４９２９４９３３７１６９５２３２６ｋｎ１６８４７００１５５８９３６１６８３９ｋＮ最大基底剪力如图８所示图８中犞ｄｍｘ为基底最大剪力由图８可知结构犡方向的基底剪力随地震波作用的角度增大先减小后增大在地震波与犡轴成方向输入时达到最小值１２６ｋＮ则说明该数值模型在地震波犡轴成方向作用时结构犡向刚度分担的基底剪力最小而结构犢方向的顶点位移随地震波作用的角度增大先增大后减小在地震波与犡轴成方向输入时达到最大值１６９５２３２６ｋＮ而并不在犢轴方向输入时达到最大值说明该数值模型在地震波与犡轴成方向作用时结构犢向刚度分担的基底剪力最大犡方向ｂ犢方向图７结构基底剪力时程曲线图８最大基底剪力随地震波作用变化７Ｓｕｕｂｈ８Ｍｘｍｕｍｂｈｍｈｖｙｕｄｎｍｗｖ３层间位移角盒式束筒结构分别在０方向输入地震波时地震波在双向地震作用下的弹塑性分析层间位移角曲线如图９所示图９中 θ 为层间位移角 θｍｘ为最大层间位移角由犳为楼层图９可知由于结构两个方向的刚度不同地震波与犡轴成０方向输入时结构犡方向弹塑性反应的最大层间位移角分别为１３２６１４４８１７７４１３２１１１２２１６１３１３８８分犺犺犱狓犫犺狇狌犲犱狌犮狀狆狑狑狑

5 华侨大学学报自然科学版５５６２０１６年别出现在结构的第１４１４１４７８９１４层犢方向弹塑性反应的最大层间位移角分别为１４８０１３８７１３４３１３１３３２１３６１１４均出现在结构的第２４层最大层间位移角如图１０所示由图１０可知结构犡方向的层间位移角随地震波作用的角度增大而先减小后增大在地震波与犡轴成方向输入时达到最大值１３２则说明该数值模型在地震波犡轴成方向作用时结构犡向影响最小而结构犢方向的层间位移角随地震波作用的角度增大先增大后减小在地震波与犡轴成方向输入时达到最大值１３而并不在犢轴方向输入达到最大值说明该数值模型在地震波与犡轴成方向作用时对结构犢向最不利在盒式束筒结构中根据抗规规定筒中筒结构的弹塑性层间位移角限值为１１２０由此可见结构在与犡轴成０不同角度的罕遇地震作用下弹塑性反应的最大层间位移角均满足规范１１２０的要求表明该结构具有良好的抗扭刚度和抗侧刚度犡方向ｂ犢方向图９结构层间位移角曲线９Ｃｕｖｕｕｙｄｎｇ图１０最大层间位移角随地震波作用变化１０Ｍｘｍｕｍｙｄｎｇｄｎｍｗｖ４结构的力学特性及塑性发展由于结构在不同角度的地震波作用下结构各构件的塑性发展顺序相似结构振动特性未出现的差异仅在结构的变形与结构损伤程度上存在着不同结构在地震波作用下核心筒连梁两端发生剪切破坏出现剪切铰说明核心筒连梁首先起到消耗地震能量的作用使得剪力墙不会过早发生破坏核心筒底部角部及变截面楼层底部位置为剪力墙抗剪薄弱部位随着地震波的输入这部分的混凝土最先进入塑性状态即混凝土层压应力达到屈服状态随着混凝土层达到极限状态由混凝土层承担的力转向钢筋层紧接着网格式框架中的层间梁开始出现塑性铰层间梁作为结构外围钢网格筒的第一道防线首先消耗地震能量此后楼层框架梁开始出现塑性铰至此弹塑性时程分析结束结构的框架柱未出现塑性铰综合所述结构中各构件屈服顺序依次是核心筒连梁剪力墙网格式框架层间梁楼层框架梁框架柱结构在不同角度的地震作用下结构各构件的塑性发展特点如图１１所示梁塑性铰数量图ｂ剪力墙混凝土层最大压应力剪力墙竖向钢筋层最大压应力图１１不同角度地震波作用下结构塑性发展特点１１Ｓｕｕｐｄｖｐｍｎｈｕｎｄｍｗｖｎｄｎｎｇ图１１中狀为塑性铰的数量可 σ ｍｘ为混凝土的最大压应力 σ ｍｘ钢筋的最大压应力由图１１知结构梁构件的塑性铰的数量随地震波作用的角度增大先增大后减小在地震波与犡轴成方向输入时梁的塑性铰数量达到最大值说明结构在此方向地震波作用下影响最大由图１１ｂ可知剪力犺犺犱狓犫犺狇狌犲犱狌犮狀狆狑狑狑

6 第 5 期杨志勇, 等 : 地震波输入角度对钢网格盒式束筒结构响应的影响 557 墙混凝土层最大压应力随地震波作用的角度增大, 先增大后减小, 在地震波与犡轴成 45 方向输入时达到最大值 9.75 MPa, 说明此方向地震作用下, 剪力墙混凝土层承担的压应力最大. 由图 11(c) 可知 : 剪力墙竖向钢筋层最大压应力随地震波作用的角度增大, 先增大后减小, 在地震波与犡轴成 45 方向输入时达到最大值 91.1 MPa, 说明此方向地震作用下, 剪力墙竖向钢筋层承担的压应力最大. 综合上述, 坐标轴方向并不地震波作用的最危险方向, 而是与结构犡轴成 45 左右方向对该结构的影响最大. 4 结论 1) 地震波沿不同角度输入对结构的顶点位移基底剪力层间位移角影响十分明显, 根据计算结果, 对结构犡向最危险的地震波作用方向为犡轴, 对结构犢向最危险的地震波作用方向为与结构犡轴成 45 角左右. 在结构设计中, 可以合理的调整结构的强度分配和刚度分布, 在一定程度上能够控制结构在地震作用下的弹塑性反应. 2) 通过结构塑性发展规律可知 : 盒式束筒结构各构件屈服顺序依次为连梁剪力墙层间梁楼层框架梁框架柱. 结构在罕遇地震下, 连梁先发生屈服, 核心筒底部角部及变截面楼层底部位置混凝土和竖向钢筋均受压屈服, 但受拉屈服部位面积较小, 未出现严重破坏, 外框架柱未出现塑性铰, 处于弹性状态, 满足性能目标的要求. 因此, 盒式束筒结构在罕遇地震下具有良好的抗震性能, 满足大震不倒的抗震设防标准和结构抗震设计性能. 3) 盒式束筒结构在不同角度的地震作用下结构各构件的塑性发展特点 : 结构梁构件的塑性铰的数量剪力墙混凝土层最大压应力剪力墙竖向钢筋层最大压应力随地震波作用的角度增大而先增大后减小, 在地震波与犡轴成 45 方向输入时达到最大值, 说明坐标轴方向并不是地震波作用的最危险方向, 而是与结构犡轴成 45 角左右方向对该结构的影响最大. 参考文献 : [1] 马克俭, 张华刚, 郑涛. 新型建筑空间网格结构理论与实践 [M]. 北京 : 人民交通出版社,2005:209?214. [2] LU CK.Nonlinearanalysisforthepre?andpost?yieldbehaviorofacompositestructurewiththerefinedplastic hingeapproach[j].journalofconstructionalsteelresearch,2016,119:1?16. [3] JEYARAJANS,RICHARDLIEWJY,KOH C G.Enhancingtherobustnessofsteel?concretecompositebuildings undercolumnlossscenarios[j].internationaljournalofprotectivestructures,2015,6(3):529?550. [4] 余德冕, 马克俭, 张华刚. 新型超高层装配整体钢网格盒式筒中筒混合结构力学特性及其剪力滞后效应 [J]. 空间结构,2014,20(2):2?8. [5] 王建硕, 马克俭, 申波, 等. 装配整体式空间钢网格盒式结构住宅平面不规则楼板的研究 [J]. 贵州大学学报 ( 自然科学版 ),2015,32(1):103?107. [6] 中华人民共和国建设部. 建筑抗震设计规范 :GB [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2010:8?9. [7] 中华人民共和国建设部. 高层建筑混凝土结构技术规程 :JGJ3-2010[S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2010:11? 12. [8] 孙涛. 现浇石膏外墙多高层钢网格盒式节能住宅结构体系研究 [D]. 天津 : 天津大学,2012:31?32. [9] 北京金土木软件技术有限公司.ETABS 中文版使用指南 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2004:114?118. [10] 单孟硕, 张晓光, 何诚. 某超高层结构罕遇地震弹塑性时程分析 [J]. 结构工程师,2014,30(2):84?89. [11] 王彪. 平面不规则结构的抗震性能及消能减震分析 [D]. 合肥 : 安徽建筑大学,2015:24?25. [12] 袁泉, 杨年祥. 混凝土本构关系对抗震性能评估影响 [J]. 科学技术与工程,2011,18(11):4254?4257. [13] 孙若飞. 高烈度地区钢框架? 核心筒混合结构抗震性能分析 [D]. 昆明 : 昆明理工大学,2014:61?64. [14] DAGHER A M.Non?linearpushoveranalysisofflatslabbuildingbyusingSAP2000[J].EuropeanJournalofCivil EngineeringandArchitecture,2013,10(1):8?15. [15] 杨志勇, 黄吉锋, 邵弘. 弹性与弹塑性动力时程分析方法中若干问题探讨 [J]. 建筑结构学报,2008(6):213?217. [16] 尧国皇, 王卫华, 陈宜言. 超高层钢框架? 核心筒结构弹塑性与弹性时程分析结果对比研究 [J]. 北京工业大学学报,2013,39(4):529?535. ( 责任编辑 : 陈志贤英文审校 : 方德平 ) 犺狆 : 狑狑狑. 犺犱狓犫. 犺狇狌. 犲犱狌. 犮狀

抗规 4.4.2 条规定, 抗震设计的高层建筑结构, 其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的 7% 或其上相邻三层侧向刚度平均值的 8% 检查 WMASS.OUT 文件, 可验证刚度比

抗规 4.4.2 条规定, 抗震设计的高层建筑结构, 其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的 7% 或其上相邻三层侧向刚度平均值的 8% 检查 WMASS.OUT 文件, 可验证刚度比土硕 14 王萌资 21421126 1.PKPM 设计 1.1 工程概况及设计条件某办公楼,8 度抗震设防, 第一组,Ⅱ 类场地, 抗震等级为一级,1 层现浇钢筋混凝土框架结构, 无地下室, 层高 3.6m, 首层室内地面标高., 室外标高 -.5m, 基础顶面标高 -1.2m;