第26卷第3期2006年6月
地 震 工 程 与 工 程 振 动
EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGVIBRATION
Vol.26,No.3
Jun.2006
文章编号:100021301(2006)0320097203
钢-混凝土组合结构体系抗震可靠性研究
吴迈
1,2
,余建星,张忠秀,窦远明
132
(1.天津大学建筑工程学院,天津300072;2.河北工业大学土木工程学院,天津300132;
3.天津市机械设备成套局,天津300200)
摘要:天津市丽苑小区1号楼工程采用了新型的钢-混凝土组合结构体系,该体系由方钢管混凝土柱和钢梁组成的外框架以及混凝土剪力墙、核心筒组成。本文以该工程为研究对象,利用基于分支限界法编制的程序分析了这种新型结构体系的抗震可靠性,得出了若干结论。关键词:钢-混凝土组合结构;方钢管混凝土柱;抗震;体系可靠度中图分类号:P315.95 文献标识码:ASeismicreliabilityassessmentofsteel2concretehybridstructure
WuMai,YuJianxing,ZhangZhongxiu,DouYuanming
1,2
1
3
2
(1.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversityofTechnology,
Tianjin300132,China;3.TianjinMachinery&EquipmentCompleteSetsBureau,Tianjin300200,China)
Abstract:LiyuanNo.1buildingemployedanewhybridstructuresystem,whichwascomposedofCFST(Concrete2filledsteeltube)columns,steelbeams,concreteshearwallsandconcretecoretubes.Inthispaper,theseismicsystemreliabilityofsteelandconcretehybridstructurewasevaluatedbycalculatingprogramonthebasisofbranch2and2boundmethod.Thedeadloads,theliveloadsandthewindloadweretreatedasrandomvariablesandtheKa2nai2Tajimifilterisusedtogeneratethefrequencycontentsoftheensembleofartificialearthquakesinthisstudy.Theanalysisresultsprovidethebasisofdesigningandoptimizingthehybridstructure.Keywords:hybridstructure;CFSTcolumn;seismic;systemreliability
引言
方钢管混凝土-钢梁-核心筒结构体系是包括方钢管混凝土、钢梁、钢骨混凝土等多种材料,包含刚节点和铰节点的复杂混合结构体系。混合结构体系整体抗震性能好,在多高层民用建筑尤其是住宅建筑中具有较好的应用前景。
(GB50068-2001)规定了结构构件的承载力极限状态可靠指标。对于《建筑结构可靠度设计统一标准》
方钢管混凝土-钢梁-核心筒结构体系的抗震可靠度,由于其在地震作用下反应的复杂性,还未能明确给出结构体系在地震作用下的失效概率。而工程设计中,设计者关注的是结构体系的可靠性。因此,分析方钢管混凝土-钢梁-核心筒结构住宅体系的抗震可靠度,对指导工程设计具有重要的理论意义和工程实践意义。本文运用基于分支限界法的计算程序,分析了丽苑1号楼的抗震可靠度,分析结果表明,这种结构体系具有较高的抗震可靠度。
收稿日期:2005-12-03; 修订日期:2006-03-15
基金项目:天津市建设系统科学技术发展计划项目(2003-4)
作者简介:吴迈(1972-),男,讲师,博士研究生,主要从事结构工程可靠度研究.
[1,2]
98 地 震 工 程 与 工 程 振 动 26卷
[3]
1 工程简介
天津市丽苑小区中高层钢结构住宅1号楼是建设部的试点示范工程,该住宅主体为11层(原设计为162
层),建筑面积为8180m,标准层高2.8m,总高度为33m。工程采用方钢管混凝土柱框架-钢骨混凝土核心筒体系。该体系钢框架主要承受竖向垂直荷载,钢柱采用焊接方形柱(350mm×350mm),内部灌注C40混凝土,以增加结构的强度、刚度和柱的稳定性。每节柱为3层高,1次吊装,构成3层框架结构。钢梁采用焊接工字钢,梁高一般为350mm,梁柱连接采用栓焊连接。框架钢梁与钢柱的连接,采用刚接:梁的翼缘剖口与钢柱焊接,梁的腹板与钢柱附加焊接的连接板用高强螺栓连接。框架钢梁与剪力墙、核心筒的连接采用铰接。梁的腹板与剪力墙的钢骨附加焊接的连接板用高强螺栓连接;其它次梁与主梁连接,采用铰接。梁、柱、剪力墙、核心筒的布置见图1。
图1 梁、柱、剪力墙、核心筒布置简图
Fig.1 PlaneplanofCFTcolumns,concretecoretubesandshearwalls
2 可靠度分析模型
为运用计算程序进行结构体系的可靠度分析,将该结构体系等效为由杆件单元组成的刚架、桁架混合杆系结构。钢梁、钢管混凝土柱采用构件本身的参数。剪力墙及核心筒采用文献[3]提出的bracedframeanal2ogy模型(图2),左侧设柱,柱两端与刚性梁刚接,右侧设两端和刚性梁铰接的链杆,中间设2根斜向撑杆。其弹性模量E和剪切模量G与墙单元相同,各杆件的截面性质:
Ic=
tb3
12
(6B-0.5); Ac=tb(0.25-B); Ad=
tb3
sinθ
(0.25+B)
22
其中参数B=h/[16b(1+μ)],μ为混凝土泊松比。
图2
Fig.2
剪力墙等效杆系模型
Analogousmodelforshearwall
3 可靠度计算方法与程序
分支限界法原理
分析结构体系的可靠度,首先要寻找结构可能会出现的各种失效模式。结构体系的失效模式非常多,全部搜寻出来计算量会很大。而实际上,在这些失效模式中只有失效概率值较大的一部分对结构体系的失效3.1
3期吴 迈等:钢-混凝土组合结构体系抗震可靠性研究
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概率有明显的贡献,称为主要失效模式,其他的则可以忽略掉,所以分析中只考虑这些主要的失效模式即可。
在这种情况下,寻找结构失效模式的过程也就变为搜寻主要失效模式的过程。在找到结构主要的失效模式后,再应用多个失效模式的可靠度计算方法分析结构体系的可靠度。分支限界法是寻找结构主要失效模式的有效方法,该方法首先根据构件截面失效概率的大小形成失效路径的第1级分支,对于每1分支,再根据构件截面失效概率的大小形成失效路径的第2级分支,…,在塑性铰形成后的下1步分析中,都将截面的抗力视为外荷载,当结构刚度矩阵的行列式值为0时,结构就形成了1个机构,也就产生了1条失效路径。另一方面,从寻找主要失效模式的观点出发,按照预先规定的判断准则,在形成失效路径分支的过程中,就将对结构体系失效概率贡献不大的分支舍弃掉。3.2可靠度分析程序
根据分支限界法原理,编制了可靠度计算程序,可以解决由多种材料组成,包含刚节点和铰节点的混合结构体系在各种荷载作用下的体系可靠度分析问题。
4 计算参数
为便于分析,结构构件的抗力按定值考虑。各种荷载按随机变量考虑,采用过滤白噪声模型模拟地震动的平稳随机过程,具体计算参数如下。(1)恒荷载:服从正态分布;平均值/标准值:1.06;变异系数:0.07。(2)活荷载:服从极值Ⅰ型分布;平均值/标准值:0.859;变异系数:0.233。
2
(3)风荷载:服从极值Ⅰ型分布;标准值:0.5kN/m;平均值/标准值:0.999;变异系数:0.193。
(4)水平地震作用:采用过滤白噪声谱[5]作为地震地面加速度谱密度函数。本工程设防烈度为7度,场地土为软土,故取ωg=10.9;ξ.96;S0=20.86。所以g=0
ω118.81+438Sa(ω)=20.8622
(118.81-ω)+438ω2
2
5 计算结果
可靠度计算结果表明,考虑设防烈度,本工程的抗震可靠指标介于5.2921与5.2784之间,远高于我国
现行建筑抗震设计规范保证的各类结构的抗震可靠指标(1.0～2.0),即具有较大的安全储备。进一步计算了在地震烈度分别为7.5度和8度情况下的体系抗震可靠度,计算结果列于表1中。结果表明:即使按地震烈度为8度考虑,本工程仍具有高于现行规范所保证的抗震可靠度。分析原因系该工程最初是按16层荷载进行设计的。为进一步研究该结构体系的抗震可靠度,又按照原设计(16层)进行抗震可靠度计算,结果列于表2中。计算结果表明按设防烈度7度考虑,按照原设计,方钢管混凝土-钢梁-核心筒结构体系仍具有高于现行规范所保证的抗震可靠度,说明该结构体系具有较好的安全度。这一结果,对于今后该结构体系的设计和优化具有一定的参考价值。
表1 抗震可靠度计算结果(11层)
Table1 Analysisresultsfor11-storystructure地震烈度
系统可靠指标上限值
可靠度可靠指标下限值
7度5.29215.2784
7.5度3.90123.8340
8度2.59362.5691
表2 抗震可靠度计算结果(16层)
Table2 Analysisresultsfor16-storystructure地震烈度
系统
可靠度
可靠指标上限值可靠指标下限值
7度3.743.75
7.5度2.21092.1871
8度1.931.6217
参考文献:
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StaffordSmithB,AmalGirgis.Simpleanalogousframesforshearwallanalysis[J].JournalofStructuralEngineering,November,1984,110(11):2655～2666.
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