高层钢结构框支交错桁架结构破坏模式研究

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1、高层钢结构框支交错桁架结构破坏模式研究何伟军HEA273/274和欧洲的EC3中已将其纳入抗震规范，我国的《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）也推荐了该方法。静力弹塑性分析优点[14-16]在于：能够确定结构在罕遇地震下潜在的破坏机制,找到最先破坏的薄弱环节；相对于弹塑时程分析，可以获得较为稳定的分析结果,减少分析结果的偶然性，同时大大节省了分析时间和工作量。Pushover分析方法本质[13]是将结构按一定的变形模态转化为等效单质点体系的反应谱分析法。通过对结构施加反应地震作用的静态水平分布力,逐步增加荷载,使结构逐渐进入

2、塑性,直到达到目标位移或接近破坏倒塌为止,从而得到结构的抗震性能以及破坏机理。本文采用4种经典侧向水平加载模式：均匀加载、倒三角形加载、沿高度等效加载和SRSS振型叠加加载模式[17]来分析框支交错桁架结构的破坏模式。2实例分析2.1实例模型本文选取设计尺寸、布局具有一定的代表性的15层框支交错桁架拟动力试验模型（国家自然科学基金项目（50878215））为实例。模型共5榀，纵向柱距6m，横向21m。1～2层为框支层，层高4.5m；3层为桁架转换层，4～15层为单纯混合式交错桁架布置形式，层高均为3m，总高48m。全部钢构件使用Q235

3、方钢管，采用全截面焊接连接，楼板混凝土使用C30，1～4层厚200mm，其他层厚150mm。几何尺寸如图1。2.2ANSYS有限元推覆分析步骤2.2.1定义单元类型采用beam188模拟钢梁、钢柱及桁架构件，shell63模拟混凝土楼板，合并两个构件相同位置节点的方法实现节点全部刚接。结构阻尼采用经典Rayleigh阻尼，阻尼比为5%[18]。2.2.2定义材料特性、实常数和几何建模钢材选用经典双线性随动强化模型（BKIN），屈服强度为，弹性模量206000泊松比为v=0.3。2.2.3施加荷载竖向荷载为1.2Ge+0.35Qk，Ge为

4、恒荷载标准值，Qk为活荷载标准值。水平荷载采用El-centro（NS）波换算8度罕遇地震反应谱求得的结构基底剪力乘以不同加载模式下的水平加载系数得到沿结构高度分布的水平荷载。本文中计算所采用的四种加载模式下的各层水平加载系数如表1所示。2.2.4定义求解选项（静力弹塑性）选择NLGEOM，ON，以考虑模型的几何非线性和材料非线性。采用稀疏矩阵直接求解器（SparseDirect）对联立方程组进行求解。3静力弹塑性分析结果3.1塑性铰分布图2为结构在破坏模式下的塑性铰分布。从图中可以看出，结构的塑性铰主要产生在斜腹杆上，其次是框支撑，桁

5、架空腹弦杆上也伴随少量塑性铰。这是由于在横向分布力作用下，结构中剪力主要由斜腹杆和框架支撑承担，随着侧向位移的增加，楼层剪力越来越大，靠近空腹节间位置斜腹杆最先产生塑性铰，并逐渐扩散，最终塑性铰主要集中在4～7层靠近空腹节间位置。由于推覆分析是单向加载方式，结构塑性铰分布不完全对称。3.2塑性铰的发展顺序为研究结构杆件塑性铰的发展顺序以及薄弱杆件承载力之间的相互关系，本文提取SRSS振型叠加加载的推覆模式作用下出现塑性铰杆件的弯矩—顶点位移曲线（塑性变形较大的结构一侧，见图3）。由图可知，位移为0.125m时，在第2、4榀第5、7层的第

6、3节间斜腹杆上首先出现塑性铰，并逐渐发展到第3榀第6层。由于结构体系的空间协调作用，随着侧向位移加大，第1、3、5榀第6层第3节间斜腹杆相继出现塑性铰。位移为0.175m时，结构塑性变形向四周快速发展，第4、8、9层斜腹杆及第2层框支撑相继出现塑性铰。随着结构位移的增大，塑性铰继续发展，产生塑性铰构件的承载力逐渐下降，并随之退出工作，结构出现明显的内力重分布现象，第1层框支撑出现塑性铰，5、7层空腹弦杆出现少量塑性铰。位移为0.225m时，大批腹杆出现塑性变形，主要集中在4-7层，最后塑性铰出现在柱脚，结构开始失稳并发生整体破坏。由各屈

7、曲杆件弯矩—顶层位移图可知，杆件屈曲呈现分批现象，内力重分布明显。塑性铰主要分布在第三节间斜腹杆上，说明第三节间斜腹杆是主要耗能构件；边侧斜腹杆出现的塑性铰较少，且承受极限弯矩值是靠近空腹节间斜腹杆弯矩值得1/2左右，说明边侧斜腹杆承载力未充分发挥；第二层框架支撑弯矩值是斜腹杆弯矩承载力的2倍左右，设计时要注重底部框架支撑的承载力及耗能设计。3.3Pushover分析结果为验证本文Pushover法的结果可靠性，选用文献[10]中使结构进入破坏阶段的>9度罕遇地震作用拟动力试验所得等效顶点力与顶层位移的滞回曲线的包络值作对比。从图

8、4中可以看出，本文所采用的4种Pushover曲线与文献基底剪力—顶层位移曲线拟合均较好，其中均匀加载模式下相差最大，以SRSS振型叠加加载下曲线为准，该加载模式作用下基底剪力值为较文献[10]大17%。这