1、某教学楼的抗震性能评估和经济性评价摘要：采用 Sap2000 和 Perform-3d 对结构进行静力弹塑性分析和动力弹塑性时程分析，已经成为对结构进行抗震评估的有效方法。本文以一五层的某教学楼为例，分别对框架结构、框架普通支撑结构和框架防屈曲支撑结构进行静力弹塑性分析和动力弹塑性时程分析，分别从结构的抗震性能、碳排放和经济性三方面对钢框架-支撑结构进行综合评估。研究表明框架防屈曲支撑结构具有良好的抗震性能，并且在经济环保方面有一定的优势。 关键字：pushover、动力弹塑性时程分析、碳排放、经济性 中图分类号：U462.3+4 文献标识码：A 0 引言 结构在地震作用下将出现不同程度的变形
2、破坏，本例中结构的底层高度和跨度较大，在地震作用下，形成了薄弱层。纯框架结构的抗震性能较差，对比分析框架普通支撑结构和框架防屈曲支撑结构的抗震性能，并对比循环钢和钢筋混凝土结构的碳排放和经济性。 1 分析方法 在静力弹塑性分析方法中，参照 FEMA356 设定结构构件的性能水准，利用 Sap2000 和 Perform-3D 对结构进行静力推覆分析，对比纯框架、普通支撑框架和防屈曲支撑框架的推覆曲线、层间位移角以及层间剪力曲线。根据 ATC-40，确定结构在不同地震水准下的目标性能点以及出现塑性铰的机制。对结构进行弹塑性动力时程分析，确定结构顶点位移时程图以及基底剪力图。根据基于能量的抗震分析
3、方法确定结构的耗能比例和耗能机制。 2 计算模型的选取 用 Perform3d 对相关的试验进行模拟分析，对照软件分析结果与试验数据。确定了试验结果基本与软件分析的数据吻合，以此验证了本文所选取的分析参数和模型的取值的合理性。1992 年，为研究钢框架的非线性性能，湖南大学2对四榀钢框架进行了低周往复试验。试验为两个单跨钢框架和两个双跨钢框架。梁柱截面选用同一截面。现选取其中的一组参数对比分析。 图 1-1 单跨框架 图 1-2 单跨框架 Pushover 曲线 试验中的基本假定为:1.材料为理想弹塑性。2.构件的塑性区段仅出现在杆端。3.连接为刚性的。软件的假定与试验的假定基本一致。图 1-
4、1为加载装置，图 1-2 为实验曲线和软件模拟结果。两者在曲线的上升段吻合较好，极限承载力峰值较一致，即结构的弹性刚度和退化后的刚度与试验吻合。当结构达到最大承载力时，Perform-3d 中的承载力维持不变，而试验出现下降段。这是因为在软件模拟过程中，假定钢材为理想弹塑性的材料，不考虑钢材的屈服、紧缩以及退化阶段。试验过程中，用真实的材料进行模拟，有下降段。在实际的建筑结构中，由于钢材的延性较好，基本可以不考虑钢材的屈曲效应。 3 算例分析 3.1 设计基本资料 结构平面布置如图 1-3 所示：立面结构图如 1-4 所示； 1.建筑结构的安全等级为二级，设计使用年限为 50 年。 2.抗震设
5、防烈度为 8 度、多遇地震；设计地震分组为第一组；建筑设防类别为丙类。 3.建筑场地类别为 III 类。 图 1-3 结构平面图 图 1-4 结构立面图 表 1-1 模态分析 由表 1-1 可知，钢框架-普通支撑结构的第一周期为 1.35s，纯钢框架结构的第一周期为 3.316s，钢框架-防屈曲支撑结构的第一周期为1.564s。可知，钢框架-防屈曲支撑结构的周期较长，刚度较小，结构较柔，因此所承受的地震力较小。 3.2 定义 BRB 根据普通支撑与防屈曲支撑的等效的原则，选用 BRB，有效面积为2815mm2，屈服承载力 971KN，硬化阶段的极限承载力为 1266KN，两种BRB 的刚度分别
6、为 82KN/m 和 140.75KN/m，相应的硬化刚度分别为1.64KN/m 和 2.815KN/m。 3.3 pushover 曲线 采用倒三角、均布和模态的推覆方式，结果较为相近。 表 1-2 不同水准下基底剪力（kN） 图 1-8 X 方向推覆对比 图 1-9 Y 方向上推覆对比 在 X 方向上，三种结构的刚度相近。但是在 Y 方向，相差较大。这是由于结构在 Y 方向的跨度较大，支撑布置较少，一旦支撑破坏，如同纯框架结构。防屈曲支撑对结构的承载力提高较多，对性能有较大改善。3.4 层间位移角分布 图 1-10 小震 X 方向推覆对比 图 1-11 小震 Y 方向上推覆对比 由于底层框
7、架的刚度较弱，在第一层处结构层间位移出现显著突变，在 Y 方向达到最强，接近规范允许的限值 0.004。防屈曲支撑框架结构的层间位移角分布较均匀，未出现明显的层间位移角突变。 3.5 性能点 图 1-12 BRB 大震图 图 1-13 纯框架大震 在大震作用下，纯框架结构梁已经从 IO(立即使用)阶段到 LS(生命安全)阶段，接近于 CP(防止倒塌)阶段。柱出现较大塑性变形，即将达到LS(生命安全)阶段。防屈曲支撑框架结构中，支撑出现塑性变形，从brace IO(立即使用)阶段到 brace LS(生命安全)阶段。梁处于将要出现塑性变形的阶状态，beam IO(立即使用)，即梁达到最大弹性承载
8、力状态。3.6 动力弹塑性时程分析 根据有效持时，频谱特性以及有效峰值三要素选取地震波，天然波Loma prieta、EI Centro、Northridge 14145 Mulholland 和人工波Artificial。 表 1-3 地震波的基底剪力（kN） 3.7 能量耗散 图 1-14 纯框架大震 图 1-15 BRB 大震图 纯框架在第 3s 时出现非线性耗能，而防屈曲支撑框架结构在第 4s时出现塑性耗能，说明防屈曲支撑框架的抗侧刚度较强。在第 8s 左右，纯框架结构的非线性耗能达到极限状态，此后出现下降段。这是由于结构构件塑性变形，结构刚度退化，塑性变形能力减弱。防屈曲支撑结构在第
9、 8s，非线性耗能达到最大，此后处于平稳状态，结构形成稳定的耗能机制。 当纯框架结构达到极限状态时，非线性耗能约占 30%，粘滞耗能约为60%，弹性耗能约为 10%。防屈曲支撑结构的非线性耗能约占 20%，粘滞耗能约为 70%，弹性耗能约为 10%。纯框架结构的非线性耗能大于防屈曲支撑结构，塑性变形的程度较高。纯框架结构中框架柱为主要耗能构件，防屈曲支撑结构的支撑耗散大部分能量。 3.8 碳排放 图 1-18 能源消耗 图 1-19 碳排放 表 1-4 单位建筑面积总能量消耗和碳排放3 3.9 经济性评估 表 1-5 三种结构面积利用率 表 1-6 基底剪力对比 表 1-7 结构造价对比（元）
10、 表 1-7 所示仅是结构工程的材料造价，施工进度也是影响工程造价的重要因素。钢筋混凝土结构施工一层大约需 15 天，5 层约 75 天，按照一天 1 万的定额来算，所需要的施工费用是 75 万。由于钢结构构件是在工厂预制，现场吊装，施工工期快，5 层的钢结构约为 30 天即可完工，施工费用为 30 万4。 4 结论 1.钢框架-防屈曲支撑结构的周期小，在满足抗震的前提下更经济。 2.钢框架-防屈曲支撑能有效地控制结构的层间位移角突变，加强了结构的薄弱层，刚度退化缓慢，失效机制较为合理。 3.大震作用下，钢框架-防屈曲支撑结构的抗侧刚度稍有降低，结构刚度退化并不明显，纯钢框架结构抗侧刚度只有弹
11、性阶段的 1/10。 4.利用循环钢的钢框架-支撑结构的碳排放和能源消耗仅为钢筋混凝土一半，更环保。 5.通过施工成本、材料成本等因素全面分析钢框架-支撑结构的经济适用性，得出钢框架-支撑结构在我国具有较大的发展空间。 参考文献 1陈琳.钢框架支撑结构的的弹塑性时程分析D.湖南大学，2012. 2舒兴平,沈蒲生. 钢框架极限承载力的有限变形理论分析和试验研究.工程力学,1993, 10(4): 32-39. 3陈国.现代竹结构房屋的试验研究与工程应用,常州工程职业技术学院学报, 2009,4: 42-44. 4李良慧.建筑房屋钢结构与混凝土结构的经济技术比较:青岛理工大学硕士论文,青岛理工大学,2012,1-2.
