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第8卷 第10期 Vol.8 No.10 2015 年 5 月 May 2015 预制装配式高层框架结构抗震性能动力分析 刘士彬，段 磊 （东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林 132000） 摘要以某 9 层新型全预制装配式钢筋混凝土框架结构为工程背景， 对其抗震性能进行动力弹塑性数值模拟分 析，得到结构层间剪力、层间位移、层间位移角，数值结果在国家现行规范限值内，预制装配式小高层结构 抗震性能满足要求。模拟相同条件下现浇钢筋混凝土框架结构抗震性能与预制结构比较，对比显示预制结构 预埋型钢在罕遇地震作用下发挥作用，能增强建筑结构抵抗地震剪力的能力。 关键词工程结构；预制装配式；时程分析；抗震分析 中图分类号TU375.4 文献标识码A 文章编号1674-2850201510-999-08 Dynamic seismic perance analysis of the prefabricated high-rise frame structure LIU Shibin, DUAN Lei School of Civil Engineering, Northeast Dianli University, Jilin, Jilin 132000, China Abstract Taking a nine stories prefabricated reinforced concrete frame structure as the engineering background, this paper conducts the analysis of dynamic elastoplastic in order to study the seismic perance of this frame. With the time-history analysis , the author considers the structural layer shear, the layer displacement and the drift angle, these data meets specification requirements, and the seismic perance of the high-rise structure is perfect. Under the same conditions, the author calculates the seismic perance of in-situ reinforced concrete structures as well. Comparison shows that embedded steel enhances seismic shear resistance under strong earthquake. Key words engineering structures; precast fabricated; time analysis; seismic analysis 0 引言 预制建筑结构的结构整体性不佳，在大地震下结构损坏严重，给人民的生命财产造成了巨大损失。 20 世纪六七十年代，美国阿拉斯加州和中国唐山市的地震发生时，大量的预制结构在焊接连接处破裂， 致使结构构件严重破坏，房屋大面积倒塌，这使得人们对预制结构的抗震性能产生了巨大的怀疑，预制 混凝土结构的发展受到了极大阻碍。 由于预制装配式混凝土结构有着工业化程度高、节能环保、工期短等优点[12]，其抗震性能研究受到 广大科研工作者和建设单位的重视。 预制装配式结构主体构件采用工业化批量生产方式， 将预制好的梁、 板、柱、墙、楼梯、阳台等构件运送到施工现场，使用起重机械将其吊装到指定位置，再按照设计的连 接方式进行拼接[3]。 梁、柱构件全部采用预制形式，两端设有预埋锚固型钢。梁与柱、柱与柱、梁与梁之间的节点均采 用夹板和高强螺栓连接。钢筋采用等强机械套筒连接、绑扎搭接或焊接，最终通过后浇混凝土节点连接 作者简介刘士彬（1963） ，男，副教授，主要研究方向高层钢筋混凝土结构设计理论及其应用. E-mail dbdlxy 第8卷 第10期 2015 年 5 月 中国科技论文在线精品论文 1000 或叠合方式装配成型，并使结构整体传力可靠，承载力满足要求[4]。 1 工程概况 以某 9 层钢筋混凝土框架结构为工程背景。 主体框架总高 36.3 m， 1～2 层高 4.5 m， 3～9 层高 3.9 m. 抗震等级二级；建筑抗震设防类别丙类；风荷载基本风压 0.5 kN/m2（50 年一遇） ； 地面粗糙度 C 类；雪荷载基本雪压 0.45 kN/m2（50 年一遇） ；场地地震基本烈度7 度；抗震设防烈度7 度；设 计基本地震加速度0.10 g； 计地震分组第一组，特征周期为 0.35 s；建筑场地土类别Ⅱ类。主要 构件采用 C30 混凝土，fck20.1 N/mm2，ftk2.01 N/mm2；主筋 HRB400，fyk400 N/mm2；箍筋 HPB300， fyk300 N/mm2；预埋锚固型钢（拼接型钢）Q235. 材料标准自重混凝土 25 kN/m2，钢材 78.5 kN/m2. 2 9 层框架结构非线性动力抗震性能分析 高层建筑结构是由竖向抗侧力构件通过水平楼板连 接构成的大型空间结构体系。完全精确地按照三维空间 结构进行分析十分困难，因此，各种分析均需要对计算 模型引入不同程度的简化[5]。 1） 小变形假定。 假定在外力或其他外界条件影响下， 物体变形与物体自身几何尺寸相比属于高阶小量时，可 不考虑因变形引起的尺寸变化，使用物体变形前的几何 尺寸来替代变形后的尺寸。当顶点水平位移 Δ 与建筑物 高度 H 的比值 Δ/H 1/500 时，P-Δ 效应的影响就不能忽 视了。 2）刚性楼板假定。对高层建筑结构的分析，通常假 定楼板在自身平面内刚度无限大，平面外的刚度忽略不 计。此假定减少了结构位移的自由度，降低了模拟计算 的工作量。 作为高层结构和特殊建筑抗震分析的一种补充计 算，非线性动力时程分析可以计算结构在弹塑性阶段的 地震反应,对结构进行罕遇地震下的变形验算，以确定结 构的薄弱部位，方便采取适当的补救措施。弹塑性时程 分析的计算结果能更加真实地展现结构的地震反应[6]。 研究采用 SNAP 结构非线性技术软件，并以杆系方 式进行建模分析。 SNAP 软件可以处理不规则和复杂的结 构，建模精细，灵活性和选择性强，可处理从简单到复 杂的各种结构模型。 2.1 现浇钢筋混凝土框架结构抗震分析现浇钢筋混凝土框架结构抗震分析 我国建筑抗震设计规范 （GB 500112010）[7]规 定 采用时程分析法时应按照建筑物所处的场地类别及该 建筑物地震分组来选择实际发生的地震记录和人工模拟 图 1 地震波波形 Fig. 1 Seismic wave a天然波 ELCentro; b天然波 Taft； c人工波 SHW3 a-Natural wave ELCentro; b-Natural wave Taft; c-Artificial wave SHW3 Vol.8 No.10 May 2015 刘士彬等预制装配式高层框架结构抗震性能动力分析 1001 的地震记录，实际发生的地震记录占对建筑结构所输入的地震波数量应不小于 2/3. 选天然波 ELCentro （NS） ，Taft（EW） ，人工波 SHW3，3 条波时间间隔均为 0.02 s（如图 1 所示）. 根据建筑抗震设计规范 （GB 500112010）[7]，时程分析所用地震加速度时程曲线最大值如表 1 所示。 表 1 地震影响加速度峰值 cm/s2 [7] Tab. 1 Earthquake acceleration peak cm/s2 [7] 地震影响 6 度 7 度 8 度 9 度 多遇地震 18 35（55） 70（10） 140 罕遇地震 220（310） 400（510） 620 注括号内数值分别用于设计基本地震加速度为 0.15g 和 0.30g 的地区 多遇地震加速度峰值取加力方向为 35 cm/s2，罕遇地震加速度峰值取加力方向为 220 cm/s2，加力方 向加速度与垂直方向加速度比值为 10.85. 分别模拟 3 种地震波在多遇地震和罕遇地震下的反应。 在建筑结构设计中， 控制高层建筑在地震等荷载作用下的变形是首要工作,层间变形角是控制变形的 一个重要指标,这实际上是对结构构件的截面和刚度加以控制。 为保证高层建筑主体结构在多遇地震作用 下基本不产生损伤,应限制结构的层间位移角[8]。地震作用时,高层结构的破坏程度与结构的层间位移角 有关,层间位移角的大小与结构破坏程度成正比。 多遇地震工况下，最大层间剪力及层间变形角分别如表 2 和表 3 所示。 表 2 现浇结构最大层间剪力（（kN）） Tab. 2 Maximum story shear of the in-situ reinforced concrete structure kN 楼层/层 ELCentro-x ELCentro-y Taft-x Taft-y SHW3-x SHW3-y 9 8 7 6 5 4 3 2 1 －408.53 －801.14 1 146.97 1 453.27 －1 731.17 －1 976.69 －2 165.40 －2 309.28 －2 394.48 －346.37 －693.23 －1 001.09 －1 262.21 －1 478.28 －1 657.91 －1 792.23 －1 888.18 －1 930.74 475.07 953.79 1 374.22 1 714.49 1 971.09 2 167.87 2 305.55 2 407.47 2 473.13 440.79 874.76 1 243.08 1 525.71 1 715.79 1 835.77 1 886.33 －1 933.31 －2 063.49 －373.83 －760.11 －1 117.34 －1 432.53 －1 701.44 －1 931.71 －2 110.91 －2 249.06 －2 329.04 274.29 555.68 815.85 1 049.43 1 259.31 1 452.50 1 622.35 1 783.18 1 922.87 表 3 现浇结构层间变形角 Tab. 3 Interlaminar deation angle of the in-situ reinforced concrete structure 楼层/层 ELCentro-x ELCentro-y Taft-x Taft-y SHW3-x SHW3-y 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1/7 677 1/4 214 1/2 966 1/2 392 1/2 840 1/2 526 1/2 366 1/2 503 1/2 785 1/6 252 1/3 863 1/2 886 1/2 413 1/2 877 1/2 676 1/2 624 1/2 910 1/3 380 1/6 480 1/3 503 1/2 481 1/2 030 1/2 497 1/2 299 1/2 219 1/2 398 1/2 694 1/5 059 1/3 117 1/2 354 1/2 014 1/2 491 1/2 415 1/2 482 1/2 854 1/3 201 1/8 130 1/4 365 1/3 038 1/2 422 1/2 888 1/2 583 1/2 427 1/2 572 1/2 864 1/7 711 1/4 757 1/3 515 1/2 889 1/3 368 1/3 055 1/2 903 1/3 090 1/3 443 多遇地震工况下，在 3 种地震波条件下，随层数增加，层间位移增大，呈剪切破坏规律，符合框架 结构抗弯不抗剪的结构受力特点。结构层间位移角远小于 1/50（如表 3 所示） ，符合抗震规范中弹塑性层 第8卷 第10期 2015 年 5 月 中国科技论文在线精品论文 1002 间位移角限值要求，结构抗震性能良好。 罕遇地震工况下，最大层间剪力及层间变形角分别如表 4 和表 5 所示。 表 4 现浇结构最大层间剪力（（kN）） Tab. 4 Maximum story shear of the in-situ reinforced concrete structure kN 楼层/层 ELCentro-x ELCentro-y Taft-x Taft-y SHW3-x SHW3-y 9 8 7 6 5 4 3 2 1 －1 432.01 －2 909.21 －4 192.03 －5 165.67 －5 879.01 －6 459.19 7 070.05 7 681.59 7 922.85 －1 265.12 －2 501.60 －3 524.91 －4 266.59 －4 837.35 －5 330.21 5 849.21 6 288.24 6 414.88 －1 256.66 －2 472.87 －3 513.44 －4 449.92 －5 290.27 －5 841.95 －6 068.31 －6 230.19 6 416.51 －1 145.11 －2 231.08 3 169.94 －3 976.29 －4 663.34 －5 024.08 －5 134.87 －5 224.02 －5 232.09 －1 664.19 －3 371.04 －4 885.27 －6 149.01 －7 414.78 －8 771.36 9 723.08 10 647.99 11 442.87 －1 457.66 2 972.59 4 416.32 5 737.20 6 937.87 －8 085.76 －9 025.02 9 750.57 －10 568.35 表 5 现浇结构层间变形角 Tab. 5 Interlaminar deation angle of the in-situ reinforced concrete structure 楼层/层 ELCentro-x ELCentro-y Taft-x Taft-y SHW3-x SHW3-y 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1/2 128 1/990 1/577 1/414 1/412 1/361 1/322 1/318 1/377 1/1 660 1/921 1/603 1/464 1/463 1/418 1/385 1/396 1/485 1/2 501 1/1310 1/792 1/531 1/500 1/436 1/418 1/446 1/558 1/1 939 1/1098 1/716 1/522 1/512 1/473 1/480 1/537 1/698 1/1 768 1/768 1/437 1/36 1/40 1/25 1/26 1/49 1/58 1/1 181 1/630 1/273 1/36 1/44 1/32 1/22 1/67 1/80 罕遇地震工况下，在 3 种地震波条件下，随层数增加，层间位移增大，符合剪切破坏规律。SHW3 波作用下，结构 2～6 层层间位移角大于 1/50（如表 5 所示） ，不符合抗震规范中弹塑性层间位移角限值 要求。 2.2 全预制装配式钢筋混凝土框架结构抗震分析全预制装配式钢筋混凝土框架结构抗震分析 预制结构在梁、柱端部加有预埋型钢，充分利用杆系建模精确的优点，在每根现浇梁、柱两端各增 设一个节点，在端部两段梁、柱中设置型钢，如图 2 所示。9 层预制结构数值模型如图 3 所示。 图 2 梁端预埋型钢 图 3 9 层预制框架立体图 Fig. 2 Embedded steel beam end Fig. 3 9F prefabricated framework perspective view Vol.8 No.10 May 2015 刘士彬等预制装配式高层框架结构抗震性能动力分析 1003 多遇地震工况下，最大层间剪力及层间变形角分别如表 6 和表 7 所示。 表 6 多遇地震工况下预制结构最大层间剪力（（kN）） Tab. 6 Maximum story shear of the prefabricated structure in general earthquake conditions kN 楼层/层 ELCentro-x ELCentro-y Taft-x Taft-y SHW3-x SHW3-y 9 8 7 6 5 4 3 2 1 －378.60 －737.54 －1 062.04 －1 342.49 －1 575.27 －1 769.92 －1 921.86 －2 033.27 －2 085.93 323.01 618.39 869.50 1 065.40 1 202.08 1 295.86 －1 360.58 －1 416.48 －1 437.36 457.41 885.82 1 259.49 1 556.55 1 765.80 1 908.26 1 986.84 2 014.98 1 997.25 364.15 694.80 969.51 1 171.42 1 294.12 1 358.54 －1 431.80 －1 539.18 －1 599.19 －304.69 －597.66 －867.90 －1 105.38 －1 302.70 －1 464.93 －1 587.22 1 736.77 1 870.20 257.24 501.66 725.05 921.93 1 090.04 1 235.47 1 358.02 1 466.00 1 552.66 表 7 多遇地震工况下预制结构层间变形角 Tab. 7 Interlaminar deation angle of the prefabricated structure in general earthquake conditions 楼层/层 ELCentro-x ELCentro-y Taft-x Taft-y SHW3-x SHW3-y 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1/6 961 1/3 759 1/2 639 1/2 126 1/2 481 1/2 228 1/2 115 1/2 248 1/2 531 1/5 937 1/3 670 1/2 774 1/2 374 1/2 849 1/2 735 1/2 763 1/3 092 1/3 639 1/5 814 1/3 149 1/2 236 1/1 843 1/2 226 1/2 078 1/2 058 1/2 283 1/2 646 1/5 314 1/3 287 1/2 500 1/2 167 1/2 652 1/2 607 1/2 629 1/2 846 1/3 266 1/8 614 1/4 629 1/3 225 1/2 581 1/3 000 1/2 692 1/2 560 1/2 608 1/2 823 1/7 111 1/4 398 1/3 265 1/2 708 1/3 110 1/2 852 1/2 760 1/2 978 1/3 376 多遇地震工况下，在 3 种地震波条件下，随层数增加，层间位移增大，呈明显剪切破坏规律，符合 框架结构抗弯不抗剪的结构受力特点。结构层间位移角远小于 1/50（如表 7 所示） ，符合抗震规范中弹塑 性层间位移角限值要求，结构抗震性能良好。 罕遇地震工况下，最大层间剪力及层间变形角分别如表 8 和表 9 所示。 罕遇地震工况下，在 3 种地震波条件下，随层数增加，层间位移增大。结构层间位移角远小于 1/50 （如表 9 所示） ，满足现行规范要求，第 2 层变形最大，为薄弱层。 表 8 罕遇地震工况下预制结构最大层间剪力（（kN）） Tab. 8 Maximum story shear of the prefabricated structure in rare earthquake conditions kN 楼层/层 ELCentro-x ELCentro-y Taft-x Taft-y SHW3-x SHW3-y 9 8 7 6 5 4 3 2 1 －1 435.01 －2 818.24 －4 027.37 －4 971.99 －5 697.34 －6 200.06 －6 517.22 6 943.97 7 196.96 －1 283.49 －2 463.31 －3 452.69 －4 194.78 －4 719.93 －5 080.36 5 335.86 5 744.33 5 912.99 －1 210.73 －2 323.83 －3 316.95 －4 238.26 －4 941.50 －5 362.83 －5 532.10 －5 610.22 5 781.45 －1 114.09 －2 124.56 －3 022.10 －3 813.96 －4 360.97 －4 613.39 －4 688.00 －4 719.41 4 779.37 －1 362.76 －2 692.97 3 984.64 5 211.01 6 324.91 7 309.63 8 136.81 8 823.93 9 273.57 －1 115.95 －2 180.59 3 166.40 4 133.43 5 005.08 5 771.66 6 414.87 6 950.37 7 303.55 第8卷 第10期 2015 年 5 月 中国科技论文在线精品论文 1004 表 9 罕遇地震工况下预制结构层间变形角 Tab. 9 Interlaminar deation angle of the prefabricated structure in rare earthquake conditions 楼层/层 ELCentro-x ELCentro-yTaft-x Taft-ySHW3-x SHW3-y 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1/1 832 1/880 1/534 1/388 1/385 1/345 1/326 1/320 1/376 1/1 388 1/792 1/544 1/428 1/441 1/410 1/392 1/400 1/486 1/2 223 1/1168 1/724 1/497 1/483 1/431 1/415 1/445 1/536 1/1 674 1/968 1/658 1/498 1/508 1/479 1/488 1/548 1/702 1/1 906 1/910 1/524 1/352 1/321 1/268 1/236 1/231 1/265 1/1 527 1/874 1/575 1/417 1/390 1/334 1/302 1/305 1/359 3 现浇结构与预制结构抗震性能对比 多遇地震层间剪力对比如图 4 所示。罕遇地震层间剪力对比如图 5 所示。 图 4 多遇地震工况下最大层间剪力对比 Fig. 4 Comparison between the maximum story shear in general earthquake conditions 图 5 罕遇地震工况下最大层间剪力对比 Fig. 5 Comparison between the maximum story shear in rare earthquake conditions Vol.8 No.10 May 2015 刘士彬等预制装配式高层框架结构抗震性能动力分析 1005 罕遇地震下，ELCentro 波和 Taft 波作用时预制框架剪力略小于现浇框架剪力，SHW3 波作用下，预 制框架承受的剪力与现浇框架相比小得多，预制框架预埋型钢增加了框架结构的抗剪能力。 多遇地震层间变形角如图 6 所示，罕遇地震层间变形角如图 7 所示。 建筑抗震设计规范 （GB 500112010）[7]第 5.5.5 条规定，钢筋混凝土框架结构薄弱层（部位） 弹塑性层间位移角限值为 1/50， ELCentro 波和 Taft 波作用下预制框架与现浇框架层间位移角均满足规定 要求，SHW3 波作用下，预制结构抗震性能良好，现浇结构第 2～6 层位移角超出限值。 图 6 多遇地震工况下层间变形角对比 Fig. 6 Comparison between the interlaminar deation angle in general earthquake conditions 图 7 罕遇地震工况下层间变形角对比 Fig. 7 Comparison between the interlaminar deation angle in rare earthquake conditions 4 结论 通过数值模拟分析， 多遇地震工况下， 预制装配式框架结构各项抗震性能指标均满足现行规范要求， 抗震性能良好，层间位移、剪力等值与现浇结构相比没有很大区别，预埋型钢此刻未发挥作用。罕遇地 第8卷 第10期 2015 年 5 月 中国科技论文在线精品论文 1006 震工况下，现浇框架出现破坏时预制框架仍然保持良好的抗震性能，可见预埋的型钢提高了结构构件的 延性，提高了结构抵抗水平地震剪力的能力，因此预制装配式结构满足现行规范的基本抗震设防目标， 在遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。预制装配式结构 适用于小高层框架结构。 在罕遇地震工况下，预制装配式框架结构最大层间位移角仍为 1/231，距限值 1/50 相差近 5 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