８０ 低温建筑技术 ２０１５年第１１期（总第２０９期） ＤＯＩ：１０．１３９０５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｄｗｊｚ．２０１５．１１．０２８ 钢一混凝土混合结构房屋抗震性能分析 杨超，黄呈伟，刘若飞， 田毅，刘婷 （昆明理工大学建筑工程学院土木工程系。 昆明６５０２２４） 【摘要】 以昆明市某钢框架．核心筒混合结构商务楼设计为工程背景，分析钢梁与核心筒采用不同连接方 式对结构侧向性能的影响。建立全部铰接模型与部分刚接模型，进行模态分析和反应谱分析，对比其动力特性和 多遇地震下的侧向性能，分析研究其在高烈度地区的抗震性能。 【关键词】混合结构；抗震性能；动力特性；反应谱分析 【中图分类号】ＴＵ３９８．２ ０ 引言 【文献标识码】Ｂ 【文章编号】１００１—６８６４（２０１５）１１—００８０—０３ 分地震荷载和风荷载，抵抗倾覆弯矩。由于核心筒的 存在，可使交通、服务性区域集中布置于核心筒中，结 构布置灵活。 在地震高烈度设防地区，随着建筑高度的增加， 结构抗震设计的难度逐渐增大。钢结构是高层建筑 发展的方向，但当高度较高时，由于纯钢结构的构件 截面较小，侧向刚度较弱，一般在满足强度条件的情 况下，建筑的侧向位移较大，不满足侧向刚度要求，其 舒适性也较差。因此，在超高层建筑结构体系中，钢． 混凝土混合结构得到了迅速的发展。 本文结合昆明地区的实际工程，通过有限元软件 ＳＡＴＷＥ和ＥＴＡＢＳ进行数值模拟、分析，研究其在多遇 地震时的抗震性能。 １ 结构有限元计算模型 结构的有限元模型以工程建筑设计为基础，并进 钢框架一混凝土核心筒结构体系由钢框架和钢筋 混凝土核心筒组成，钢框架承担结构大部分竖向荷 载，混凝土核心筒作为主要的抗侧力构件，承担大部 行了一定的简化，不考虑外围边框架和顶部钢架构， 将边框架自重和荷载折算为线荷载施加在外框架 梁匕 图１有限元计算模型 在进行多遇地震抗震分析时，结构模型应尽量符 合实际情况，满足承载力要求和刚度要求。ＥＴＡＢＳ建 模时，剪力墙采用壳单元，连梁采用开洞的方式。楼 板不考虑面外刚度，采用膜单元，但在计算位移时定 义刚性隔板，相当于ＳＡＴＷＥ中的刚性楼板假定，减少 结构自由度，节约计算时间。 下面将建立采取上述两种不同连接方式的模型， 对其进行模态分析和反应谱分析，对比其动力特性和 侧向性能。 ２动力特性分析 采用ＥＴＡＢＳ和ＳＡＴＷＥ分别建模，计算楼面钢梁 与核心筒全部铰接模型和楼面钢梁与核心筒部分刚 混合结构中，楼面梁与钢筋混凝土简体连接可采 用刚接或铰接。因此，本文建立了铰接模型和部分刚 接模型，对连接形式进行了比选。铰接模型即为钢梁 与核心筒的连接全部为铰接；部分刚接模型即为核心 接模型的前１８阶振型，两种模型的前六阶基本动力特 性见表１～表５。 由此可见，两个模型的前六阶振型基本一致，第 一振型都为 向平动，第二振型都为ｙ向平动，可以 筒角部与钢梁刚接，其余连接仍为铰接。 说明结构 方向刚度较ｙ方向小。 杨超：钢一混凝土混合结构房屋抗震性能分析 ８１ 表１ ＳＡＴＷＥ铰接模型前六阶振型周期 表２ ＳＡＴＷＥ部分刚接模型前六阶振型周期 ＵＸ、ＵＹ和ＲＺ分别表示平动 方向、ｌ，方向和绕 ｚ轴扭转的质量参与系数。 表３ ＥＴＡＢＳ铰接模型前六阶振型周期 ４％ ８％ １２％ １６％ ２０％ 剪重比 （ｘ方向） 图２铰接模型剪重比 两个模型刚重比均大于２．７，满足规范要求，可不 考虑Ｐ一△效应 。 剪重比（Ｘ方向）计算结果见图２和图３。 表４ ＥＴＡＢＳ部分刚接模型前六阶振型周期 表５ 周期比（Ｔ３／Ｔ１） 两个模型的一阶和二阶振型质量参与分量相差 不大，且都不超过７０％，前六阶振型的质量参与分量 之和未超过９０％，说明两个模型高阶振型影响不可忽 略。与部分刚接模型相比，全部铰接模型的周期较 大，是因为ＥＴＡＢＳ和ＳＡＴＷＥ计算刚度中心的方法是 不同的 ，说明全部铰接模型刚度较小。 ３反应谱法分析 反应谱分析时，采用ＣＱＣ振型效应组合方式，考 虑偶然偏心的影响。结构的刚重比计算结果见表６。 表６ 刚重比 Ｊ ｐ 。 一 ｉ ｛—・一Ｓ Ａ．ｒＷＥ ……… １—・一Ｅ １ＩＡＢＳ 一～～…叶………～ ｌ 。 ｉｌ ｌ４％ ８％ １２％ ｌ６％ ２０％ 剪重比 （ｊ防向） 图３刚接模型剪重比 两个模型剪重比均大于３．２％，说明结构的自重 轻，刚度大，这也是混合结构的优点之一。由于剪力 墙对结构刚度的贡献效率比框架柱要高，因此混合结 ８２ 低温建筑技术 ２０１５年第１１期（总第２０９期） 果用钢框架代替混凝土框架所损失的刚度可以通过 剪力墙来弥补，减小自重的效果显著。 经计算分析，得出的层间位移角和位移比见表７、 表８。 表７ ＳＡＴＷＥ模型最大层间位移角和位移比 表８ ＥＴＡＢＳ模型最大层间位移角和位移比 由此可见，全部铰接模型的层间位移角大于部分 刚接模型，两模型位移比差别不大。全部铰接模型的 侧向刚度小于部分刚接模型，说明钢梁与核心筒铰接 对结构侧向刚度贡献较小，楼面梁和核心筒部分刚接 能提高结构的侧向性能，但连接形式对结构扭转影响 不大。 高烈度地区钢框架一核心筒结构存在的一个问 题是外框架承担的剪力和倾覆弯矩百分比很低 ，如 将其作为第二道防线，钢框架按“框架部分地震剪力 最大值的１．８倍” 设计偏小，如按“结构底部总剪力 的２５％” 设计则框架部分钢材用量会有较大的增 加，且有关分析及试验都表明，罕遇地震下框架柱大 多不屈服，所承受地震力也达不到结构底部总剪力 的２５％。 从表９和表１０中可以看出底层框架所承担的地 震剪力及地震倾覆弯矩与本层总地震剪力之比多数 小于１０％，总地震倾覆弯矩之比小于１８％。其他层承 担的剪力不超过１２％，框架柱承担的倾覆弯矩所占比 例随着层数增加而增大，顶层框架部分可达到５４％左 右。对于该结构模型，无论部分刚接还是全部铰接， 都存在着框架部分承担的剪力较小的问题。 表９ 反应谱法底层框架柱承担底部剪力百分比 表１０ 反应谱法底层框架柱承担倾覆弯矩百分｝ ４结语 （１） 铰接模型与部分刚接模型的动力特性基本 一致，铰接模型位移比小于部分刚接模型，说明刚接 模型在偶然偏心地震作用下的扭转效应略大于铰接 模型。 （２） 钢梁与核心筒连接形式对结构振型影响不 大，但对结构周期影响较大，钢梁与核心筒刚接可以 提高结构的侧向刚度，减小结构侧向位移。 （３） 钢梁与核心筒连接形式对结构扭转效应影 响不大，但由于框架部分刚度较小，其对结构整体刚 度贡献也较小，连接形式无论刚接还是铰接，都对框 架部分承担的剪力和倾覆弯矩影响不大。 综合以上结论，楼面梁与核心筒的连接形式对结 构侧向刚度有影响但影响不大，铰接模型可以满足反 应谱法计算的地震作用的各项指标，并且相比刚接模 型施工简便，经济性较好。 参考文献 ［１］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． ［２］ 周国伟，张志强，李爱群，徐金军．混合结构时程分析中的阻 尼比计算研究［Ｊ］．振动与冲击，２０１２，３１（１６）． ［３］ＧＢ５００１１—２０１０，建筑抗震设计规范［ｓ］． ［４］ＪＧＪ３—２０１０，高层建筑混凝土结构技术规程［Ｓ］． ［收稿日期］２０１５—０８—０３ ［作者简介］杨超（１９９０一），男，广西柳州人，硕士研究生， 从事钢结构理论及其应用研究。
