朱恒特 李金伟 马泽琛 周海鹏
中建二局第三建筑工程有限公司华东分公司 江苏南京 210019
【摘要】：用Midas软件对钢骨混凝土框架结构进行地震作用下的分析，为结构提供更安全可靠的强度计算奠定基础。钢骨混凝土框架结构抗震性能，地震波作用方向对结构抗震影响明显，增加建筑高度不利于结构抗震，提高混凝土强度等级有利于减小侧向变形，在柱中设置钢骨后抗震能力得到很大的提高。
【关键词】：钢骨混凝土、地震作用、Midas、弹塑性分析
我国是一多地震国家，绝大多数地区为地震区，在建筑中加强其抗震性能，提高安全保障，在强地震区推广抗震结构体系也有其重大意义。
钢骨混凝土结构多次在地震中经受了考验,充分展示了它的优越抗震性能。随着研究的逐步深入，钢骨混凝土框架结构逐步规模运用，而国家对钢骨混凝土框架结构整体的在地震作用下的弹塑性分析相对较少。
型钢可以分为实腹式和空腹式两大类。实腹式型钢可由型钢或钢板焊成，常用的截面型式有I、H、工、T、槽形等和矩形及圆形钢管。空腹式构件的型钢一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢而组成。由型钢混凝土柱和梁可以组成型钢混凝土框架。框架梁可以采用钢梁、组合梁或钢筋混凝土梁。在高层建筑中，型钢混凝土框架中可以设置钢筋混凝土剪力墙，在剪力墙中也可以设置型钢支撑或者型钢桁架，或在剪力墙中设置薄钢板，这样就组成了各种型式的型钢混凝土剪力墙。型钢混凝土剪力墙的抗剪能力和延性比钢筋混凝土剪力墙好，可以在超高层建筑中发挥作用。
我国《工程结构可靠性统一标准GB50153-2008》规定构件按极限状态设计，承载能力极限状态要求采用荷载效应组合得到的构件最不利内力进行构件截面承载力验算。其构件承载力验算表达式如下
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根据《高层建筑混凝土结构技术规程》3.8.2条规定,钢筋混凝土构件的承载力抗震调整系数是小于1.0的,也就是说,这是一种安全度的调整。当只考虑竖向地震作用的时候,各类构件的承载力抗震调整系数应为1.0。
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》5.6.3条和《建筑抗震设计规范》5.4.1条规定:地震设计状况时,当作用与作用效应呈线性关系考虑时,荷载和地震作用的基本组合的效应设计值应按下列关系式确定:
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处于地震设计状况时,荷载和地震作用基本组合的分项系数应按规范取值,当重力荷载效应对结构有利时,表中的重力荷载分项系数不应大于1.0。
《建筑抗震设计规范》5.1.2.1规定:高度不超过40M,以剪切破坏形式为主,质量和刚度沿高度分布较均匀的结构以及近似于单质点体系的结构,可用底部剪力法等简化方法计算。
《建筑抗震设计规范》5.1.4规定:计算罕遇地震,特征周期应增加0.05S。
《建筑结构荷载规范》附录F-建筑结构自振周期经验公式:
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多自由度体系按振型分解反应谱法求地震作用时需要计算结构的各个自振频率和阵型,运算繁杂,为了简化计算,可采用底部剪力法,而且当建筑物高度不超过40米,切以剪切形变为主,质量和刚度沿高度均匀分布,结构振动往往以第一振型为主,而且基本振型接近于直线。
底部剪力法公式如下：
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两端配置钢骨暗柱的钢骨混凝土剪力墙和周边设置钢骨混凝土柱和钢筋混凝土的框架-剪力墙，其正截面偏心受压承载力可以按《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001）中所给出的计算公式进行计算
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如果结构中存在薄弱层或者薄弱部位,在强烈地震的作用下,因为结构的薄弱位置产生了弹塑性形变,将导致结构构件严重破坏甚至引起房屋倒塌。其计算思路如下:
在按弹性方法计算时,需要先确定结构薄弱层的位置,即指在剧烈地震作用下,结构首先发生屈服并产生较大弹塑性变形的部位,发生的部位在楼层屈服强度系数最小或者相对较小的楼层对于多层高层建筑,楼层屈服强度系数为按钢筋混凝土构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力和按罕遇地震作用标准值计算的楼层弹性地震剪力的比值。
在多遇地震中,弹性层间位移控制应和风荷载相同。
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使用MIDAS建模并通过对所建模型施加不同方向的作用力以模拟地震作用，记录不同强度地震作用下钢骨混凝土结构中各个构件的受力。所得结果可用来进行弹塑性分析。利用软件MIDAS建立钢骨混凝土框架结构模型；计算结构在重力荷载下的内力。收集数据，利用X轴、Y轴方向模拟地震波对结构的受力。对结构施加单调递增的水平荷载；确立竖向荷载分布形式，对结构施加竖向荷载。在建模后，利用MIDAS添加模拟地震力。可求得受力后对应于该各节点位移、结构各层的位移、层间弹塑性位移角、各构件端部的变形以及结构薄弱处来进行其不同地震力下的弹塑性分析图像，可由颜色和计算出的受力来进行查看其抗震性能。
此方式只需改变不同受力，即可分析在不同地震波下，钢骨混凝土框架结构是否能保证人身安全，亦可模拟罕见地震，进行研究查看，也可从中进行结论规律等。
楼体模型采用一栋八层的高层住宅楼，其标准层建筑面积一百七十三平方米。框架柱采用十字型钢，框架主梁采用工字型钢，次梁采用钢筋混凝土，其楼体的模型见如图1。层高3.6米，共八层；柱为600*600的实腹式钢骨混凝土构件，其主钢为HW 400x400x13/21，腹部钢骨为T 200x200x8x13；主梁截面尺寸为400*550，钢骨采用HW 300x300x10/15；次梁尺根据《高层建筑混凝土结构技术规程》规定，在设防烈度地震作用下，关键构件及普通竖向构件的正截面承载力应符合
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通过计算结果可以得知，随着框架结构建筑高度的增加，结构自振周期逐渐增大，表明钢骨超高强混凝土框架结构的刚度在逐渐减小，地震反应逐渐由弹性阶段过渡到弹塑性阶段。
骨混凝土框架结构模型地震作用下的计算结果可得出以下结论：对于钢骨混凝土框架结构抗震性能，地震波作用方向对结构抗震影响明显，增加建筑高度不利于结构抗震，提高混凝土强度等级有利于减小侧向变形，在柱中设置钢骨后抗震能力得到很大的提高。
【参考文献】
[1]《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010（2016年版）
[2]《混凝土结构设计规范》GB50010-2010（2015年版）
[3]《建筑结构荷载规范》GB50009-2012
[4]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010
[5]《工程结构可靠性统一标准GB50153-2008》
[6]《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001）