论文部分内容阅读
【摘 要】 钢框架结构在我国高层建筑中占据十分重要的位置，具有强度大、便于施工以及抗震性好等优势，由于自身的优势在建筑施工中的应用也越加广泛。在人们对建筑施工质量要求越来越高的条件下，开始重视研究支撑体系对钢框架抗震性能的影响。文中会简单介绍钢框架的抗震性能，叙述支撑体系影响抗震性能的具体方法，最后重点分析研究的结果。
【关键词】 支撑体系；钢框架；抗震性能；影响
1 钢框架抗震性能的分析
高层建筑的钢框架结构由于环境的特殊性，在保证建筑稳定和安全的同时，还应该承受由地震引起的额外荷载，减少地震对建筑的影响。钢框架结构的支点是产生预应力的关键，支点的预应力与建筑结构的行为有直接的联系，结构变形、自振周期以及地震反应都是支点作用的主要对象。要想提高钢框架结构的抗震性能，需要重视支撑体系的设计，加强结构的弹塑性。当钢框架在地震的情况下进入弾塑阶段，建筑本身会对地震力量产生抵抗，地震在建筑弾塑的情况下也会相应减弱，但是在节点设计上一定要遵循“强节点弱杆件”的原则，加强支点的刚度和强度，节点遇到地震会产生塑性变形，及时吸收地震的能量，减少地震对建筑结构的损耗。钢框架结构节点的变形主要分为以下三点：一是刚性节点，这种节点主要是指钢框架结构之间不会产生多余的力量，直接将结构连接在一起来承受地震产生的压力；二是铰支节点，这种节点与刚性节点有一定的差异，钢框架结构之间会发生变化，不能很好地承受弯矩和剪力；三是半刚性连接，结构之间既能产生一定的力量，又能很好地承受弯矩和剪力，同时具有充足的刚度。铰支节点建设费用低，但是刚性比较差，不能有效地防止结构的变形，不适宜主要构件的连接。半刚性支点具有较高的经济效益，但是会给结构的变形产生一定影响。刚性支点的刚度大，能够承受很大的力量，受力性能好，但是建造的要求比较高，经济性低，适用于高层建筑的钢结构连接。一般钢结构的连接方式会采用焊接、螺栓连接和混合连接三种。
2 分析支撑体系对钢框架抗震性能的具体方法
2.1固定水平加载模式
固定水平加载模式一般有以下四种方式：一是均布加载方式，假设钢结构在地震的条件下每层的速度一致，这种情况下每层的侧向力和质量呈现正比。建筑的侧向力与荷载、基地剪力以及楼层有直接的关系，采用相应的计算公式就可得出最后的结果，确定支撑体系对钢结构抗震性能的影响大小；二是倒三角加载方式，假设钢结构的加速度会随着楼层的变化不断发生变化，就可以直接通过计算楼层的高度得到基底的侧向力；三是高度等效分布加载方式，这种方式也可以被称为抛物线模式，主要是针对高度较高和形状规则的钢结构，将高度影响的因子设为K，楼层的加速度随着高度的变化而变化，K的值应该与结构的弹性周期有关，当周期T大于0.5s时，K可以直接等于1，采用倒三角模式；当周期T大于2.5s，K等于2，实行二次分布的加载模式，在K两个不同值之间会采用线性加载模式，在不同情况下采用不同的方式才能保证研究分析结果的准确性；四是反应谱法，这种分析方式主要是借助平方和开方来计算楼层间的剪力，通过剪力来计算相应的侧向力。
2.2适应性水平加载模式
固定加载模式的前提条件是在地震的过程中结构的水平惯性不会发生改变，但是在特殊的情况下，结构的各项性能都会发生改变，仅仅依靠固定加载方式不能准确分析支撑体系对钢框架抗震性能的影响，适应性水平加载模式可以很好地弥补固定加载模式存在的不足，根据建筑建筑结构的实际情况随之改变加载的模式。现在很多的研究人员开始将这种方式引用到钢框架的抗震性能分析工作中，但是由于使用的时间较短，各项工作还不是特别完善，分析的结果很容易受到结构变形的影响。适应性水平加载模式需要在计算的过程中不断加入新的任务，增加了计算的难度，不能很好体现这种分析方式的优势，难以在短时间内得到想要的结果。
2.3多模态加载模式
多模态加载模式是根据侧向荷载的分布来进行不同振型下的PUSHOVER分析，将不同振型下的结构反应通过组合的方式表现出来，振型的结构反应与振型的质量有紧密的关联，当振型的质量达到90%以上，结构变形的结果只需要取第一阶段的值即可，当振型的质量没有达到90%，结構的变形需要取不同阶段的值再次进行计算。
3 分析支撑体系对钢框架抗震性能的影响
3.1抗侧力的分析
中心支撑框架的抗侧力要远远大于一般的钢框架，假设在框架的顶端施加一定的水平方向荷载，分析框架的位移情况。采用纯框架、单斜杆支撑、人字形支撑以及交叉支撑四种方式，可以得出中心支撑框架的抗侧力大于纯框架，交叉支撑的抗侧力是纯框架的2.78倍，各种不同支撑方式的抗侧力却没有明显的差异。纯框架在受到外界荷载的情况下位移最为严重，刚度也在不断降低，然而交叉支撑的钢框架的位移情况不是特别明显，根据这种实验可以得出支撑体系能够加强钢框架的抗侧力，增强结构的抗震性能。
3.2模态的分析
通过模态分析可以了解到钢框架结构在不同振型下的自振周期，ANSYS计算能够准确计算出钢框架架构的自振周期，结构的自振周期和侧向刚度呈反比，侧向刚度越大，自振周期越小。纯框架的自振周期大于单斜杆支撑，单斜杆支撑大于人字形支撑，人字形支撑大于中心支撑，钢结构在地震的环境下自振的周期越小，对于建筑的伤害越小。
3.3振型分解反应谱法
SRSS叠加计算方法能够将不同研究方案的振型表现出来，当结构的自振周期T=0.45s，地震灾害对于建筑的影响最大，通过计算自振周期计算出各种设计方案最大的水平移动，在建立的曲线图上可以清晰地看到支撑系统钢框架的位移要小于纯框架，交叉支撑的最大位移在原本结构的基础上减少了48%，在建筑不同的高度结构的位移也有一定的差异，在建筑的高层位移的情况相对比较稳定，低层结构的最大水平位移角度比较大。通过对计算结果的研究分析可以得出，钢框架结构的支撑体系能够有效控制结构的变形，当建筑本身受到强大外力时可以及时作出反应，减少外力对建筑内部结构的损害，所以要想提高钢框架的抗震性能可以适当添加一些支撑体系，将外在荷载均匀分散。振型分解反应谱法还可以分析框架层的剪力，结构能够适当地降低自身的剪力可以减少外界环境对建筑内部结构的破坏。随着高度的升高，支撑体系的钢框架结构的剪力有了明显下降，大部分的水平力直接转移到支撑体系上，特别是中心支撑结构减少了70.4%，交叉支撑方式能够合理将外在的压力分散在不同的部分，这种现象对于加强钢框架的抗震性能有很大的帮助。
3.4时程分析
时程分析法在钢框架抗震性能研究中有广泛的应用，它能够准确地描述出地结构在地震整个过程中的变化情况。将一般地震的时速值设置为70cm/s，大型地震设置为400cm/s，M为总质量、K为总刚度、W1和W2分别为第一和第二阶段的自振频率，时程分析的结果是大型地震的水平位移要远远大于普通的地震，大型地震的最大位移是普通地震最大位移的5.5倍，时程分析的结果能为建筑的抗震设计提供有用的依据，高层建筑的抗震设计不能仅仅针对普通的地震，利用支撑体系本身的优势来提高建筑结构整体的抗震性能，这样才能有效规避地震灾害的影响。
3.5滞回性能分析
要想得到建筑结构的滞回性能分析结果，需要在建筑的顶层施加水平方向位移的循环荷载，在外在荷载的影响下，框架底部剪力的变化和顶层位移的滞回性能变化一目了然。建筑结构的滞回曲线饱满，说明结构本身具有很好的延伸性，抗震性能较好，反之曲线不饱满说明结构的延伸性比较欠缺，不能有效减少地震对建筑内部结构的损害。四种不同设计方案中单斜杆支撑的延伸性最差，在施加外力的情况下结构的刚度会受到很严重的损害，建筑结构整体的稳定性下降，因此在钢框架结构设计中尽量减少单斜杆支撑体系的使用，选择正确的支撑体系才能真正提高建筑结构的抗震性能。要想优化支撑体系的设计，需要比对不同支撑体系之间的差异，分析不同条件下各种数值的变化。
4 结束语
在钢框架抗震性能研究不断深入的条件下，将支撑体系应用到建筑结构建设中十分必要，但是在使用支撑体系时要注意处理好结构变形与内力、支撑与钢框架的关系，根据建筑的实际需要来优化建筑结构的设计。支撑体系能够大大提高钢框架的抗侧刚度，减少结构在地震情况下的水平位移角度。建筑钢框架的抗震性能得到明显提高，才能根本上提高建筑的质量，减少地震灾害对建筑内部结构的破坏，延长建筑的使用时间。
参考文献：
[1]刘亮亮.采用新型梁柱节点的钢框架-支撑体系抗震性能研究[D]. 2013.
[2]卢爱贞.两种Pall型摩擦支撑体系的抗震性能分析[D]. 2010.
[3]余勇为，杨建军.中心支撑对钢框架结构体系抗震性能影响分析[J].四川建筑，2009（3）
【关键词】 支撑体系；钢框架；抗震性能；影响
1 钢框架抗震性能的分析
高层建筑的钢框架结构由于环境的特殊性，在保证建筑稳定和安全的同时，还应该承受由地震引起的额外荷载，减少地震对建筑的影响。钢框架结构的支点是产生预应力的关键，支点的预应力与建筑结构的行为有直接的联系，结构变形、自振周期以及地震反应都是支点作用的主要对象。要想提高钢框架结构的抗震性能，需要重视支撑体系的设计，加强结构的弹塑性。当钢框架在地震的情况下进入弾塑阶段，建筑本身会对地震力量产生抵抗，地震在建筑弾塑的情况下也会相应减弱，但是在节点设计上一定要遵循“强节点弱杆件”的原则，加强支点的刚度和强度，节点遇到地震会产生塑性变形，及时吸收地震的能量，减少地震对建筑结构的损耗。钢框架结构节点的变形主要分为以下三点：一是刚性节点，这种节点主要是指钢框架结构之间不会产生多余的力量，直接将结构连接在一起来承受地震产生的压力；二是铰支节点，这种节点与刚性节点有一定的差异，钢框架结构之间会发生变化，不能很好地承受弯矩和剪力；三是半刚性连接，结构之间既能产生一定的力量，又能很好地承受弯矩和剪力，同时具有充足的刚度。铰支节点建设费用低，但是刚性比较差，不能有效地防止结构的变形，不适宜主要构件的连接。半刚性支点具有较高的经济效益，但是会给结构的变形产生一定影响。刚性支点的刚度大，能够承受很大的力量，受力性能好，但是建造的要求比较高，经济性低，适用于高层建筑的钢结构连接。一般钢结构的连接方式会采用焊接、螺栓连接和混合连接三种。
2 分析支撑体系对钢框架抗震性能的具体方法
2.1固定水平加载模式
固定水平加载模式一般有以下四种方式：一是均布加载方式，假设钢结构在地震的条件下每层的速度一致，这种情况下每层的侧向力和质量呈现正比。建筑的侧向力与荷载、基地剪力以及楼层有直接的关系，采用相应的计算公式就可得出最后的结果，确定支撑体系对钢结构抗震性能的影响大小；二是倒三角加载方式，假设钢结构的加速度会随着楼层的变化不断发生变化，就可以直接通过计算楼层的高度得到基底的侧向力；三是高度等效分布加载方式，这种方式也可以被称为抛物线模式，主要是针对高度较高和形状规则的钢结构，将高度影响的因子设为K，楼层的加速度随着高度的变化而变化，K的值应该与结构的弹性周期有关，当周期T大于0.5s时，K可以直接等于1，采用倒三角模式；当周期T大于2.5s，K等于2，实行二次分布的加载模式，在K两个不同值之间会采用线性加载模式，在不同情况下采用不同的方式才能保证研究分析结果的准确性；四是反应谱法，这种分析方式主要是借助平方和开方来计算楼层间的剪力，通过剪力来计算相应的侧向力。
2.2适应性水平加载模式
固定加载模式的前提条件是在地震的过程中结构的水平惯性不会发生改变，但是在特殊的情况下，结构的各项性能都会发生改变，仅仅依靠固定加载方式不能准确分析支撑体系对钢框架抗震性能的影响，适应性水平加载模式可以很好地弥补固定加载模式存在的不足，根据建筑建筑结构的实际情况随之改变加载的模式。现在很多的研究人员开始将这种方式引用到钢框架的抗震性能分析工作中，但是由于使用的时间较短，各项工作还不是特别完善，分析的结果很容易受到结构变形的影响。适应性水平加载模式需要在计算的过程中不断加入新的任务，增加了计算的难度，不能很好体现这种分析方式的优势，难以在短时间内得到想要的结果。
2.3多模态加载模式
多模态加载模式是根据侧向荷载的分布来进行不同振型下的PUSHOVER分析，将不同振型下的结构反应通过组合的方式表现出来，振型的结构反应与振型的质量有紧密的关联，当振型的质量达到90%以上，结构变形的结果只需要取第一阶段的值即可，当振型的质量没有达到90%，结構的变形需要取不同阶段的值再次进行计算。
3 分析支撑体系对钢框架抗震性能的影响
3.1抗侧力的分析
中心支撑框架的抗侧力要远远大于一般的钢框架，假设在框架的顶端施加一定的水平方向荷载，分析框架的位移情况。采用纯框架、单斜杆支撑、人字形支撑以及交叉支撑四种方式，可以得出中心支撑框架的抗侧力大于纯框架，交叉支撑的抗侧力是纯框架的2.78倍，各种不同支撑方式的抗侧力却没有明显的差异。纯框架在受到外界荷载的情况下位移最为严重，刚度也在不断降低，然而交叉支撑的钢框架的位移情况不是特别明显，根据这种实验可以得出支撑体系能够加强钢框架的抗侧力，增强结构的抗震性能。
3.2模态的分析
通过模态分析可以了解到钢框架结构在不同振型下的自振周期，ANSYS计算能够准确计算出钢框架架构的自振周期，结构的自振周期和侧向刚度呈反比，侧向刚度越大，自振周期越小。纯框架的自振周期大于单斜杆支撑，单斜杆支撑大于人字形支撑，人字形支撑大于中心支撑，钢结构在地震的环境下自振的周期越小，对于建筑的伤害越小。
3.3振型分解反应谱法
SRSS叠加计算方法能够将不同研究方案的振型表现出来，当结构的自振周期T=0.45s，地震灾害对于建筑的影响最大，通过计算自振周期计算出各种设计方案最大的水平移动，在建立的曲线图上可以清晰地看到支撑系统钢框架的位移要小于纯框架，交叉支撑的最大位移在原本结构的基础上减少了48%，在建筑不同的高度结构的位移也有一定的差异，在建筑的高层位移的情况相对比较稳定，低层结构的最大水平位移角度比较大。通过对计算结果的研究分析可以得出，钢框架结构的支撑体系能够有效控制结构的变形，当建筑本身受到强大外力时可以及时作出反应，减少外力对建筑内部结构的损害，所以要想提高钢框架的抗震性能可以适当添加一些支撑体系，将外在荷载均匀分散。振型分解反应谱法还可以分析框架层的剪力，结构能够适当地降低自身的剪力可以减少外界环境对建筑内部结构的破坏。随着高度的升高，支撑体系的钢框架结构的剪力有了明显下降，大部分的水平力直接转移到支撑体系上，特别是中心支撑结构减少了70.4%，交叉支撑方式能够合理将外在的压力分散在不同的部分，这种现象对于加强钢框架的抗震性能有很大的帮助。
3.4时程分析
时程分析法在钢框架抗震性能研究中有广泛的应用，它能够准确地描述出地结构在地震整个过程中的变化情况。将一般地震的时速值设置为70cm/s，大型地震设置为400cm/s，M为总质量、K为总刚度、W1和W2分别为第一和第二阶段的自振频率，时程分析的结果是大型地震的水平位移要远远大于普通的地震，大型地震的最大位移是普通地震最大位移的5.5倍，时程分析的结果能为建筑的抗震设计提供有用的依据，高层建筑的抗震设计不能仅仅针对普通的地震，利用支撑体系本身的优势来提高建筑结构整体的抗震性能，这样才能有效规避地震灾害的影响。
3.5滞回性能分析
要想得到建筑结构的滞回性能分析结果，需要在建筑的顶层施加水平方向位移的循环荷载，在外在荷载的影响下，框架底部剪力的变化和顶层位移的滞回性能变化一目了然。建筑结构的滞回曲线饱满，说明结构本身具有很好的延伸性，抗震性能较好，反之曲线不饱满说明结构的延伸性比较欠缺，不能有效减少地震对建筑内部结构的损害。四种不同设计方案中单斜杆支撑的延伸性最差，在施加外力的情况下结构的刚度会受到很严重的损害，建筑结构整体的稳定性下降，因此在钢框架结构设计中尽量减少单斜杆支撑体系的使用，选择正确的支撑体系才能真正提高建筑结构的抗震性能。要想优化支撑体系的设计，需要比对不同支撑体系之间的差异，分析不同条件下各种数值的变化。
4 结束语
在钢框架抗震性能研究不断深入的条件下，将支撑体系应用到建筑结构建设中十分必要，但是在使用支撑体系时要注意处理好结构变形与内力、支撑与钢框架的关系，根据建筑的实际需要来优化建筑结构的设计。支撑体系能够大大提高钢框架的抗侧刚度，减少结构在地震情况下的水平位移角度。建筑钢框架的抗震性能得到明显提高，才能根本上提高建筑的质量，减少地震灾害对建筑内部结构的破坏，延长建筑的使用时间。
参考文献：
[1]刘亮亮.采用新型梁柱节点的钢框架-支撑体系抗震性能研究[D]. 2013.
[2]卢爱贞.两种Pall型摩擦支撑体系的抗震性能分析[D]. 2010.
[3]余勇为，杨建军.中心支撑对钢框架结构体系抗震性能影响分析[J].四川建筑，2009（3）