型鋼混凝土框架結構抗震性能分析
--以某高校技術教育中心培訓基地為例

陳琦，康小方 （.安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 3003；.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 30009）

1 引言

近二十年來，型鋼混凝土框架結構在我國大城市和特大城市的高層建筑和超高層建筑中得到了普遍應用和發展，成為工程建設中重要結構形式之一[1]。型鋼混凝土框架結構具有抗震性能好、防火性能強和承載能力高的優點，成為了高層建筑超高層建筑中的主要結構形式之一[2-3]。這種結構形式不僅可以極大地提高建筑的穩定性并有效地減少建筑的自重和造價，同時，型鋼混凝土框架結構也具有優異的可塑性和可加工性，可以滿足不同建筑形式和不同建筑師的設計需求。型鋼混凝土框架結構在高層建筑和超高層建筑中的應用也得到了工程界的高度認可，這種結構形式符合國家相關的建筑標準和規范，可以滿足不同業主和用戶的需要。在實際的工程應用中，型鋼混凝土框架結構也展現出了良好的耐久性，為建筑的長期使用提供了強有力的保障[4]。

型鋼混凝土框架結構中的型鋼通常采用高強度鋼材，具有很好的抗彎、抗扭和剪切強度，能夠在受力時承受較大的壓力和剪力?；炷羷t具有很高的抗壓強度和耐久性，能夠承受較大的軸向壓力和彎曲剪力。因此，在型鋼混凝土組合結構中，型鋼和混凝土的結合可以充分發揮兩種材料的優點，提高結構的承載能力和抗裂性能[5]。由于型鋼和混凝土各自材料的彈性模量不同，當結構受到地震作用時，兩種材料可以相互協調，減小各結構構件的變形和應力集中情況，從而提升整體抗震性能。因其既擁有優秀的承載能力和抗裂性能，又具有良好的抗震能力，所以在建筑、橋梁、隧道等工程中得到了普遍的應用[6]。因此，應該對型鋼混凝土組合結構進行細致的研究，揭示其結構的受力性能，并推廣到工程實際應用中。

時程分析法是一種在地震工程領域中被廣泛應用的數值分析方法，在模擬仿真結構受地震激勵時是一種較為可靠的方法，主要通過模擬地震波在結構中的傳播和反應來分析結構的抗震性能和安全性。相較于其他分析方法，時程分析法擁有更高的精度和可靠性，在模擬仿真結構受地震激勵時，時程分析能夠充分考慮地震波的隨機特點和復雜性，同時模擬結構的動態特性和非線性反應[7]。通過時程分析法，可以評估結構在不同地震烈度下的反應，包括位移、應力、加速度等參數，從而為結構設計和優化提供科學依據。時程分析法還可以應用于地震預警系統以及地震應急響應計劃的研究和制定中。采用模擬不同地震情景下的結構反應，可以幫助政府和相關部門制定更加有效的應急預案和措施，保障人民的生命財產安全。

本文使用MIDAS/GEN 有限元軟件對某高校技術教育中心的培訓基地項目進行抗震性能研究。首先，基于工程背景選取了兩條典型的地震波和一條人工合成地震波；其次，建立有限元模型進行模態分析，分析型鋼混凝土框架結構的動力特性；最后，基于有限元模型的時程分析，得到結構各部分的位移響應和內力變化。

2 工程概況

本工程為某高校技術教育中心的培訓基地項目，總建筑面積5539.25m2，抗震設防烈度6 度，設防類別為重點設防類，建筑有效使用年限為50 年。項目建筑面積為1793.37m2。項目分為南北兩部分，北側實訓樓為框架結構，南側報告廳中間部位的大跨度采用型鋼混凝土框架結構，其中型鋼混凝土梁截面規格為650mm×1300mm，梁底鋼筋配筋率約為1.5%，型鋼混凝土梁平面布置圖如圖1所示。

圖1 型鋼混凝土梁平面布置圖

3 地震波選取

在進行時程分析中，地震波的選擇是十分關鍵的一步。地震波是發生地震時，從震源傳播出去的振動波，反映了地震能量的傳遞過程。彈塑性時程分析是一種重要的地震工程分析方法，主要用于評估結構在地震作用下的反應。為了確保分析結果的準確性可靠，需要根據實際工程需求選擇合適的地震波數據。在選取地震波時，應考慮其地震強度。地震強度是指地震波所攜帶的能量大小，通常用震級或地震烈度來表示。其次，地震波的選取還需要考慮其頻譜特性，地震波的頻譜特性反映了地震波的不同頻率成分。對于彈塑性時程分析，一般地震波的頻譜特性分為三種，即隨機振動、平穩振動和脈波的隨機特性，脈波的隨機特性適用于評估結構的隨機響應；平穩振動模擬了地震波的持續時間較長、能量集中在較低頻率的特性，適用于評估結構的持續振動響應；脈沖振動則模擬了地震波的瞬間到達、能量集中在較高頻率的特性，適用于評估結構的瞬態響應。此外，在選取地震波時，還需要考慮其持續時間和周期，周期則反映了地震波的動力特征。根據結構的抗震性能和地震波的傳播特性，需要選取合適的持續時間和周期范圍的地震波[8]。

地震是一種極其復雜的地面運動，且具有突發性和不確定性的特點，地震波通常由震中向外擴展。由于不同建筑物所受地震波強度不同，同一地震作用下建筑物不同部位可能表現出不同破壞特征及程度，這一現象是地震波在介質中傳播所引起的。另外，因不同地震波作用于建筑物的效果不一，故地震波選取一般需考慮場地及建筑物特性，一般可選用真實地震記錄及典型強震記錄地震波。根據項目的工程水文地質數據、《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)的規定以及地震波選擇原則，本文選擇了兩條典型的地震波和一條人工合成地震波分析，即EL-Centro 地震波和Taft地震波進行地震分析，選用地震波的加速度時程曲線如圖2所示。

圖2 加速度時程曲線

4 有限元模型建立

MIDAS/GEN 軟件的建模方法是節點-線-面，并設置單元特征和構件材料屬性。通過單元的建立、邊界條件的定義、自重荷載的定義、活荷載的布置以及其他程序實現結構有限元模型的建立。運用有限元軟件對型鋼混凝土框架結構模型開展力學研究，主要是為了描述實際工程系統中的數學行為，即分析對象為精確物理原型數學模型，且模型包含實際工程結構的全部節點、單元、邊界條件等描述實際工程結構物理系統所需要的要素。本文有限元模型的單元類型主要包含梁、板單元。通過梁單元建立梁、柱節點的有限元模型，每個梁單元由2個節點組成，能夠承受拉壓、屈曲、扭轉變形，單元具有三維受力特征。每個板單元由4 個節點組成，同樣具有三維受力特征。

有限元模型結構的恒荷載包含梁柱等結構件的自身重量、填充墻重量，材料參數根據相應規范賦值，結構自身重量由MIDAS/GEN 軟件自動生成，根據MIDAS/GEN 軟件建立的有限元模型如圖3所示。

圖3 型鋼混凝土框架結構的有限元模型

5 結構模態分析

在結構動力學領域，正演問題通常是從建立一個數值模型開始的，該模型描述了所考慮的系統及其物理性質，通常是計算數值模型的模態解。因而，在對型鋼混凝土框架結構開展抗震性能研究之前，應對結構的動力特性進行分析。型鋼混凝土框架結構的動力特征是由其模態參數表征的，即其固有頻率、模態振型和阻尼比。

對于型鋼混凝土框架結構無阻尼的自由振動（即所有外力為零，不考慮阻尼影響），其運動方程如下：

式中，[M]和[K]分別為質量矩陣和剛度矩陣。

對于多自由度體系的自由振動特征方程可表述為：

式中，ω和{δ0}分別為固有頻率和固有振型，其數值由質量矩陣和剛度矩陣確定。

通過前文MIDAS/GEN 有限元軟件構建型鋼混凝土框架結構的動力特性分析模型，給出型鋼混凝土框架結構前15階的自振頻率和周期，如表1 所示，結構前三階振型如圖4所示。

表1 型鋼混凝土框架結構前15階自振特性

圖4 結構前三階振型

6 時程分析

6.1 時程分析與反應譜分析比較

基于上章給出的三條地震波，對鋼型鋼混凝土框架結構有限元模型進行時程分析和反應譜分析，得到了地震波下的結構地震響應數據，如表2所示。

表2 鋼型鋼混凝土框架結構基地反力對比

參考《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2016）中關于結構彈性時程分析的規定，通過時程曲線進行分析得到的結構底部剪力值需要大于等于反應譜法分析結果的65%，結構底部彎矩值均值應大于反應譜法分析結果的80%[9]。表中數據表明，選取的兩條典型的地震波和一條人工合成地震波是符合規定的。

6.2 地震對結構內力的影響

通過兩條典型的地震波和一條人工合成地震波對型鋼混凝土框架結構進行彈性時程分析，得到不同地震作用下結構彎矩圖，如圖5所示。

圖5 不同地震作用下結構彎矩圖

由云圖可知，在鋼混凝土框架結構Y 方向中，型鋼混凝土梁承擔了較大的彎矩。在Taft 地震波工況下，型鋼混凝土梁的Y 方向彎矩值最大；在ELCentro 地震波工況下，型鋼混凝土梁的Y 方向彎矩值最小。從結構整體內力分析來看，型鋼混凝土梁將承擔更大的結構內力。

6.3 地震對型鋼混凝土梁結構位移的影響

為了研究地震激勵下型鋼混凝土框架結構各部位的位移響應，針對模型后處理結果中的B31、B32、B41、B42、B51和B52 節點進行分析，得到了在ELCentro 地震波、Taft 地震波和人工合成波工況下，各節點Z 方向的位移絕對值最大值見表3，其中B31 的位移時程曲線如圖6所示。

表3 梁節點地震Z方向位移絕對值最大值（單位：mm）

圖6 不同地震作用下B31節點的Z方向位移時程曲線

7 結論

本文基于MIDAS/GEN 有限元軟件對某高校技術教育中心的培訓基地項目進行抗震性能研究。利用MIDAS/GEN有限元軟件建立有限元模型，研究型鋼混凝土框架結構的動力特征，對結構的固有頻率和相應的振型進行分析。通過兩條典型的地震波和一條人工合成地震波對型鋼混凝土框架結構進行模態分析和時程分析，得出如下結論。

①基于反應譜法的計算結果，選取的三條地震波時程曲線是符合抗震規范要求的，能夠為項目結構設計提供參考。

②從結構整體內力分析著，型鋼混凝土梁將承擔更大的結構內力。在地震作用下，結構Y 方向的彎矩值最大位于型鋼混凝土梁處；在Taft地震波工況下，型鋼混凝土梁的彎矩值達到最大；在EL-Centro地震波工況下，彎矩值最小。

③EL-Centro 地震波與Taft 地震波和人工地震波相比，在每個節點位置的Z 方向上的最大絕對位移值更高，而型鋼混凝土梁結構在受到人工波激勵時，在各個節點位置的Z 方向上的最小絕對位移值最小。