基于MPA法的交错桁架抗震性能影响因素分析.pdf

四川建筑科学研究 S ich u a n B u il d in g S cie n ce 第 3 9卷第 5期 2 0 1 3年 1 0月 基于 MP A法的交错桁架抗震性能影响因素分析 应 浩 李永山 曲东魁 彭 伟 1 西南交通大学土木工程学院 四川 成都6 1 0 0 3 1 2 中铁八局集团昆明铁路建设有限公司 云南 昆明6 5 0 2 0 0 摘要 交错桁架在多遇地震下表现出非常良好的抗震性能 本文基于 MP A方法 对交错桁架在罕遇地震下的抗 震性能进行初步探讨 通过建立有限元平面模型 分析不同结构高度结构高宽比 桁架形式 桁架跨高比 空腹节 间距 底层桁架布置以及底层支撑形式对交错桁架在罕遇地震下抗震性能的影响 对 比发现 随着结构高宽 比和 空腹节间距的减小 以及结构高度减小和平面桁架的落地 交错桁架在罕遇地震下的抗震性能均有不同程度的提 高 关键词 MP A法 交错桁架 罕遇地震 抗震性能 中图分 类号 T U 3 7 5 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 1 9 3 3 2 0 1 3 0 5 2 0 2 0 6 M PA ba s e d me t ho d o f s t a g g e r e d t r u s s s e is mic p e r f o r ma nce in flu e n cin g f a ct o r s a na l y s is Y I N G H a o L I Y o n g s h a n Q U D o n g k u i P E N G we i 1 S ch o o l o f C i v il E n g in e e r in g S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s it y C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 C h i n a 2 K u n m in g R a i l w a y C o n s t r u ctio n C o m p a n y o f C h in a R ai l w a y N o 8 E n g i n e e fin g G r o u p C o L t d K u n m in g 6 5 0 2 0 0 C h i n a Ab s t r a ct S t a g g e r e d t r u s s s h o we d v e r y g o o d s e is mic p e r f o r ma n ce o f mu l t i e a r t h q u a k e B a s e d o n t h e p r e mis e o f MP A t h e p r e l imin a r y s t u d y o n t h e s e i s m ic p e rf o r m a n ce o f t h e s ta g g e r e d t r u s s r a t e e a a h q u ake T h r o u g h t h e e s ta b l is h m e n t o f t h e fi n it e d e m e n t p a n e m o d e l it w il l b e a n a l y s i s e d o f t h e s e i s mi c p e rf o rma n ce o f s t a g g e r ed t r u s s u n d e r s e v e r e e a r t h qua k e s f r o m d i ff e ren t s t ruct u r a l h e ight t h e s t r u ct u re o f l l i g h a s p e ct r a t i o t h e t r u s s f o rm o f t rus s s p a n d e p t h r a t io f ast i n g s e ct io n s p a ci n g t h e u n d e rl y in g t r u s s l a y o u t and t h e form o f t h e u n d e fl p n g s u p p o rt C o n ast fou n d Wit h t h e s t r u ct u r e o f h igh asp e ct r a t io a n d f ast in g s e ct i o n s p a cin g d e cr e a s e s a s w e ll as red u ce t h e s t r u ct u r e h e ig h t and fl oor t r u s s s t a g g e red t rus s u n d e r s e v e r e e a r t h q u ak e s s e i s mi c p e rfo rm a n ce h a v e i mp r o v ed t o v a r y in g d e g r e e s Ke y wo r d s MP A me t h o d s t a g g e r e d t r u s s s e v e re e a rt h q u a k e s s e i s mic perf o rm ance 0 引 言 交错桁架作为一种 新型 结构形式 在抗震性 能和经济性能方面表现出巨大的优越性 美国 加 拿大以及澳大利亚等国已将这种结构形式应用于办 公楼 旅馆 和公寓等建筑中 我国虽然在实际工程方 面的应用还是一片空 白 但是在理论和试验研究 中 取得了不少的成果 其中对交错桁架进行较为系统 研究的是以周绪红教授为首 的课题组 他们经过 多 年的努力已在该结构的静力 抗震以及抗风等方面 取得了不少 的成果 J 另外 也有不少学者对于交 错桁架的抗震性能的研究进行了补充 一 般进行结构罕遇地震作用下弹塑性变形验算 采用以下两种方法 弹塑性时程分析和静力弹塑性 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 0 6 作者简 介 应浩 1 9 8 6一 男 浙 江宁 波人 硕士 研究方 向为钢 结 构基本理论与空间结构 E ma il y l n g 8 8 7 7 4 41 2 3 4 1 2 6 co rn 分析 前者虽然有着十分严密的理论基础 但是计 算量过大 难度过高 并且地震动本身具有一定 的随 机性 因此不为普通设计人员经常采用 后者 虽然 理论不够严密 但是能够大大地简化计算 同时在考 虑结构 弹塑性 的情况下发现结构 的薄弱层 M P A m o d a l p u s h o v e r 方法正是在传统的静力弹塑性分 析方法演化而来的 该方法能够考虑高阶振型对结 构 的影响 同时与弹塑性时程分析得到的结果误差 比较小 l 0 本文将采用 M P A法探讨交错桁架在罕遇地震 作用下抗震性能的影响因素 如结构高度 结构高宽 比以及桁架形式等一系列的因素 1 平面分析模型以及各模型参数 本文以一个 1 2层的教师公寓为模型 建筑尺寸 为 4 4 1 n l x1 8 9 i n 层高为 3 i n 所用构件截面尺寸 见表 1 钢材为 Q 2 3 5 采用 1 2 0 m i l l 厚的现浇混凝土 楼板 钢柱于地面刚接 桁架弦杆 与钢柱 刚接 桁架 2 0 1 3 N o 5 应浩 等 基于 MP A法的交错桁架抗震性能影响因素分析 2 0 3 腹杆与弦杆铰接 楼 面活载 为 2 0 k N m 结构 的 抗震设防烈度为 8度 场地土类别为一类 设计地震 分组为第一组 基于空间模型计算的复杂性 同时 结合平面模型的可行性 因此从空间模型中取出 相邻的两榀框架并且将其并 列放 置 为了考虑空 间 模型中楼板的协调作用 将这两榀框架的相同楼层 所有节点的水平位移进行耦合 模型如图 1 所示 建立平面模型之后 将从结构高宽比 桁架跨高比 桁架落地 空腹节间距以及底层支撑形式角度探讨 交错桁架在罕遇地震下的抗震性能 N 1 1 l l J I l N l N l l vV I I N 1 I 1 N J l l v N l l 1 表 1 各模型参数汇总 Ta b l e 1 S u mm a r y o f t h e v a r io u s mo d e l 图 1 分析模型 F ig 1 An a l y s is mo de l 2 模型计算及结果对比 本次分析所采用的有 限元软件为 s a p 对上述 模型应用 M P A法 得到以下等效单自由度体系动力 参数 限于篇幅只列出M一 1 的动力参数 见表2 表2 M 1的等效单自由度体系动力参数 Ta b l e 2 M od e l M 1 d y n a mic p a r a me t e r s o f th e e q u iv ale n t S DOF s y s t e m k g 一 s V F L t u y m m r 2 1 5 1 9 2 6 一o 4 6 70 9 5 6 g 0 3 7 7 1 4 2 g 5 0 1 1 4 8 5 4 O1 3 2 3 0 2 9 2 1 4 6 i O 2 4 4 2 2 8 4 Z 3 3 7 7 1 5 7 9 2 1 空腹节 间距的影响 在一般的混合式交错桁架体系中 空腹 节间常 设为建筑物过道 走廊等功能分区 根据建筑物功 能的不同 常对这方面有不同的要求 为了实现建筑 平面的合理布置和保证结构一定的抗震性能 有必 要 空腹节间 的距离进 行一定的研究 图 2是模 型 M 一 1 M 2 M 一 3和 M 4在 8度罕遇地震下的动力 响应图 从图 2可 以得 出 空腹节间距显然对结构在罕 遇地震下的抗震性能有一定的影响 具体说 空腹 节间距越大结构的位移响应就越大 根据弹塑性理 论可以知道 导致该现象的原因 交错桁架在反复地 震作用下 塑性铰大部分集中在空腹节间附近的腹 杆处 很 明显 空腹节 间距越大 它的受力也就越 大 这样就会出现较早的破坏 最后会由于结构局部 的屈服影响到整体的抗震性能 从楼层剪力图看 出 随着空腹节间距减小 楼层剪力也在相应的增 大 这是由于空腹节间距的减小导致楼层的侧向刚 度变大引起的 但整体的层间剪力发展趋势是一致 的 总的来说 空腹节间距越大 结构在罕遇地震下 的抗震性能也就越差 2 O 4 四川建筑科学研究 第 3 9卷 8 襄7 i 3 0 0 5 0 l 0 0 l 5 0 0 0 0 0 2 0 0 04 0 0 0 6 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 00 40 0 0 侧移量 mm 层间位移角 接层剪力 k N 图 2 各模型在 8度罕遇地震下的动力响应 F ig 2 Th e d y n a mi c r e s p o n s e o f t h e fi g u r e o f e a ch mo d a l in 8 d e g r e e s u n d e r s e v e r e a r t h q u a k e 2 2 桁架落地的影响 交错桁架可根据底层桁架是否落地分为 桁架 落地式和桁架不落地式 桁架不落地式的交错桁架 体系对于建筑设计而言无疑是最 为理想 的 但从结 构设计角度而言 是很不利的 将原来的桁架抽去 使得整体结构变成了一种相对 上刚下柔 的结构 布置 在罕遇地震 中非常容易 出现 因底层 变形过大 而导致结构破坏的现象 本小节探讨桁架落地在罕 遇地震下对结构抗震性能 的贡献 图 3是 M一 1和 M 5的动力响应图 1 2 l 1 l O 9 8 7 襞 5 4 3 2 l 0 1 2 l l 1 0 9 8 7 鉴 5 4 3 2 l O 0 5 0 1 0 0 1 50 0 0 0 02 0 O O 4 0 0 0 6 侧移量 ra m 层问位移角 图 3 各模型动力 响应 图 8度 Fi g 3 T h e d y n a mi c r e s p o n s e o f t h e fi g u r e o f each mod a l 可 以观察到 由于底层桁架的落地最大层 间位 移角所在的楼层发生了转移 并且 M 5的底层层间 位移明显要大于M一 1 这是由于桁架落地式的交错 桁架体系底层侧向刚度要大于不落地式的交错桁 架 桁架落地使得结构整体的竖向刚度趋于均匀受 力更加合理 从塑性铰分布图 图4 看出 M 一 1 的 塑性铰分布比较分散 而 M 5的塑性铰大量集中在 底层 这是由于桁架不落地使得该结构在底层形成 薄弱层 导致地震力在底部集中出现大量塑性铰 最 终使得整体结构成为摇摆机构而发生破坏 而其他 楼层不能充分发挥耗能的能力 图4 M 1和 M 5的塑性铰分布 Fi g 4 M 1 a n d M 5 p l a s t i c h in g e d is t r i b u ti o n fi g u r e 2 3 桁架形式的影晌 在钢交错桁架体系中 桁架的形式分为混合式 和空腹式 在这两种 的基础上 又有人经过改进提 出了另外几种形式桁架 见图 5 S S T桁架是 G o e l 等人在研究一般的空腹式桁架和混合式桁架抗震性 能之后 对它进行了改进 这种形式的桁架在耗能方 面有很大的改善 图 6为模 型 M一 1 M 6以及 M 7 的响应图 I 图 5 桁架形式 F ig 5 Tr u s s f o r ms 2 0 1 3 N o 5 应浩 等 基于 MP A法的交错桁架抗震性能影响因素分析 2 0 5 8 鍪 7 i 1 0 8 装 i 3 图 6 各模型的动力响应 8度 F ig 6 Th e d y n a m ic r e s p o n s e o f t h e fi g u r e o f e a ch mo da l 从图7得到 整体结构在增设支撑之后层问位 移有很大 的改善 最大层 间位移角减小 了将 近 6 0 同时混合式桁架模型的各楼层层间位移角趋 于均匀 空腹式桁架模型各楼层的层间位移角变化 较大 另外 在增设支撑之后最大层间位移角所在 的楼层发生了转移 从塑性铰分布图观察 到 空腹 式桁架模型各楼层的两侧弦杆和柱角均出现了一定 数量的塑性铰 与 M 一 1 和 M 7比较而言 有一部分 的塑性铰出现在底层 这是很不利 的 说明空腹式 桁架的底层在罕遇地震作用时 会出现地震作用集 中的现象 这一点与桁架不落地式的钢交错桁架体 系很类似 同时 在增设支撑后 的 M 7底层未 出现 塑性铰 具备了抵抗大震的能力 也验证了 G o e l 等 人得出的结论 图7 M 6和 M 7的塑性铰分布 F ig 7 M a nd M 7 p l a s t ic h in g e d is t r ib u t io n fi g u r e 2 4 结构高宽比的影响 高宽比是衡量结构的整体稳定性和整体的刚度 等因素的重要指标 建筑结构的高宽比越大 相对而 言结构也就越 柔 高阶振型对结构的影响也就越 大 我国规范 J G J 9 9 9 8 高层民用建筑钢结构技 术规程 对它也有相应的规定 图 8 9是 M 1 M l O M l l和 M一 1 2的动力响应 图 n l 郑 O Fig 8 2 O l 8 1 6 1 4 1 2 装1 0 8 6 4 2 0 2 0 l 8 1 6 1 4 1 2 裴1 0 8 6 4 2 2 O l 8 l 6 l 4 1 2 裴10 8 6 4 2 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 00 0 0 O 0 4 0 0 08 侧移量 n u n 9 度 层间位移角 9 度 图 9 各模型动力响应 9度 F ig 9 1 1 I e d y n a mic re s po n s e o f t h e fi g u r e o f e a ch mo d a l 从上面的各模型位移响应 图可以得到 结构的 楼层侧移随着高宽比的增大而增大 4个模型中 M 一 1 O 层间位移为最大 之后随着结构高宽比的增 大 最大层问位移角就减小了 这是 由于随着结构 高度的增加 高阶振型对结构的影响也就随之加大 了 变形更为复杂 虽然在这里没有列 出各个模 型 的精确用钢量 但是从等效单自由度体系的动力参 数也可 以间接的看出 随着高宽比的增加 结构的用 钢量明显增大 经济性降低 另外 随着结构高宽比 增加 结构最大层间位移角所在的楼层发生了转移 在 9 度罕遇地震下 M l 2 3 1 7 的高宽比已超过了 规范规定限值 3 再次说明了交错桁架体系优越的 抗震性能 上述 4个模型改变结构高宽比的同时 也改变 了结构的总高度 从这个方面讲 随着结构高度的 增大 楼层侧移也明显增大 交错桁架传力有一定 的特殊性 所承受的水平力由上层的平面桁架传递 给楼板 再由楼板传递给下层的桁架 当楼层过高 时 下面几层 的楼板就会承担很大的楼层剪力 那么 此时对楼板就有了更高的要求 楼板的厚度和节点 四川建筑科学研究 第 3 9卷 的施工处理将会变得更加复杂 经济性就受到 了影 响 基于上述这个原 因 建议钢交错桁架体系合理 经济的最大层数在 3 0 4 0 根据以上 的分析并且结合 J O J 9 9 9 8 高层 民 用建筑钢结构技术规程 和已有 的研究成果 J 建 议钢交错桁架体系的高宽比应该满足如下的要求 抗震设防烈度为6 7度以及非抗震设防烈度地区 结构的高宽比限值为 5 抗震设防烈度为 8度的地 区 结构的高宽比限值为4 抗震设防烈度为9度的 8 装 7 i 3 0 地区 结构的高宽 比限值为 3 2 5 桁架跨高比的影响 根据建筑设计的不同要求 对于结构 的层高也 提出了不同的要求 在未改变结构宽度的前 提下 改变结构的层高也就改变了桁架的跨高比 跨高比 的改变将引起结构杆件受力的变化 必定对结构整 体的抗震性能会产生一定 的影响 图 l O为 M一 1 M一 8和 M一 9的动力响应图 l 2 l 1 1 0 9 8 7 鐾 5 4 3 2 l 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 20 0 25 0 0 0 0 0 2 0 00 4 0 00 6 0 1 0 0 0 2 0 00 30 0 0 侧移量 n u n 层间位移角 楼层剪力 k N 图 1 0 各模型在 8度罕遇地震下的动力响应 Fig 1 0 nl e d y n a mic r e s p o n s e o f t h e fi g u r e o f e a ch mo d a l in 8 d e g r e e s u n d e r s e v e r e a r t h q u a k e 从图 l O 看出 随着结构桁架跨高比的减小 结 构的楼层侧移 层间位移角和楼层剪力相应增大 并 且随跨高比的减小 结构楼层侧移和层间位移角的 增幅也在减小 另外 从结构的层间位移角图可以 得到 结构的最 大层间位移 角均发生在第二层 随 着桁架跨高 比的减 小 最大层 间位移角 明显增大 在实际工程设计时 为了避免结构的薄 弱层 出现在 第二层或者更低层 建议在第二层的无桁架跨 中增 设 吊杆 以增强该层的刚度 改善该薄弱层的受力情 图 N J V L J I J l I N i 川 I L J l 1 a M 5 第一类支撑 J l儿 N I I l j 1 ll l l 1 卜l 1 1 I l 1 i I l j I i l l I i i I l I l N l 1 I It I I l N I 1 j 1 l I I I L 况 2 6 底层支撑形式的影响 钢交错桁架体系的一个突出优点是 能获得两 倍柱距的大空间 此时 为了保证底部楼层的侧向 刚度 一般都会在柱角增设支撑 但是根据建筑设计 的要求 增设支撑的方式也有两种 如图 1 1所示 本小节将着重从桁架落地式和桁架不落地式的两种 结构 出发 分析这两种支撑对结构的抗震性能 的影 响 N I l l N l VI V J f l l I J J l L J N I j j I i I I J I 1 1 J J I J J I l N l J N l I I I l J J I N 卜 J l I 1 J 1 1 b M 1 5 第二类支撑 C M 1 3 第一类支撑 d M 1 4 第二类支撑 图 I 1 支撑形式 Fi g 1 1 S up p o r t f o r n s 图 l 2为 M 5 M一 1 5 M 1 3和 M一 1 4的动力响应 从各模 型的楼层侧移得到 支撑形式对于结构 的侧移影 响 比较小 然而 从 M 5与 M一 1 5比较而 应浩 等 基于 MP A法的交错桁架抗震性能影响因素分析 0 5 0 1 0 0 l U 0 0 O U 2 U 0 0 4 U 0 06 侧移量 n u n 层间位移角 图 1 2 各模型在 8度罕遇地震下的动力响应 F ig 1 2 Th e d y na mic r e s p o n s e o f t h e fi g u r e o f e a ch m o d a l in 8 d e g r e e s u n d e r s e v e r e a r t h q u a k e 言 位移响应有一定的差距 这说明当底层桁架不落 地时 第二类支撑对增大结构侧向刚度的作用要明 显大于第一类支撑 另外 从层问位移角图中可以 得到 M 5与 M 1 5的层问位移角变化趋势存在较大 的差别 采用第一类支撑时 结构的最大层问位移 角出现在第二层 采用第二类支撑时 结构的最大层 间位移角 出现在第五层 而 M一 1 3与 M一 1 4的这 种 差别就几乎没有 这说明 当底层桁架落地时 底层 支撑形式对整体结构的抗震性能的影响比较小 可 以忽略不计 但当桁架不落地时 底层支撑形式对结 构抗震性能的影响比较大 建议采用第二类支撑形 式 3结论以及设计建议 针对以上的分析 总结得到以下结论与若干设 计建议 1 空腹节间距越大 结构的位移响应越大 罕 遇地震下的抗震性能也就越差 因此建议在满足建 筑设计的前提之下 应该尽量的减小空腹节 间距 2 底层桁架落地对结构的抗震性有很大提高 它使得结构整体刚度趋于均匀变形更加合理 建议 宜将桁架设计成落地式 如果在某些抗震设防区因 需要底部大空间而必须采用桁架不落地式的话 应 在底部增设支撑 空腹式桁架的抗震性能远不如混 合式交错桁架 建议宜采用混合式交错桁架体系 3 高宽 比越大 结构 的位移 响应就越强烈 故 应限制结构的高宽比 基于交错桁架优越的抗震性 能 因此建议 抗震设防烈度为 6 7度以及非抗震设 防烈度地区 结构高宽 比限值为 5 抗震设防烈度为 8 度的地区 结构高宽比限值为4 抗震设防烈度为 9度的地区 结构高宽比限值为3 交错桁架经济合 理的最大层数在 3 O一 4 0 4 桁架跨高比越小 结构位移响应就越强烈 结合已有的研究成果 建议钢交错桁架体系的桁架 跨高比宜在4 9 底层支撑形式对桁架不落地式 的钢交错桁架体系影响比较大 建议采用第二类支 撑 参 考 文 献 1 潘英 周绪红 交错桁架体系的抗震