小高层钢结构住宅抗震性能分析
摘要：基于工程模型的介绍，分别对模态和反应谱以及pushover
进行了分析，综合比较纯框架(kj)、框架一支撑(kj-zc)和框架一
剪力墙(kj-jlq)三种抗侧力结构在8度地震下的响应及特点。
关键词：抗震性能；纯框架(kj)；框架一支撑(kj-zc)；框架一
剪力墙(kj-jlq)
小高层钢结构一直没有明确的规定，一般规定24米以上为高层
建筑，在钢结构住宅中主要指的是建筑高度大于24米，小于50米
(24米<高度<50米)，且建筑层数大于7层，小于等于n层(7层<
层数毛n层)的住宅，这种住宅需要配备电梯井，适合使用筒体设
置抗侧移构件。该型的钢结构住宅能否进行标准化生产一直存在分
歧，我国抗震规范一直将12层作为重要的抗震节点设置，比如12
层以上的建筑需要设置地下室，支撑需用偏心支撑，阻尼比按0.02
取值。可以说12层的钢结构住宅是可以进行标准化生产的极限，
目前对于多层钢结构的研究比较密集，小高层钢结构住宅抗震的研
究是目前比较薄弱的一环，但是一旦各方面条件具备，从经济性的
角度考虑，该型住宅最具经济效益。本文中的住宅模型采用某住院
部作为模板，综合比较纯框架(kj)、框架一支撑(kj-zc)和框架一
剪力墙(kj-jlq)三种抗侧力结构在8度地震下的响应，找出各自的
特点并给出每种结构的使用建议。
1工程模型介绍
本工程为某康复中心的住院部，轴线长38.4m，宽16.2m，共11
层，主体结构高40.5m，总高41.6m，建筑高宽比2.49小于八度抗
震限制6.0，建筑总面积 6491m2。楼面恒载根据材料自重计算，活
载取2.0kn/m2，模拟隔墙自重为主梁加2.5kn/m恒载，恒载取值
3.5或者2.5、活载均取0.5kn/m。n类场地，8度抗震，按第三组
计算，主柱与基础刚接，主梁与主柱双向刚接，次梁、支撑均铰接。
结构分别采用纯框架(kj)、框架一支撑(kj-zc)和框架一剪力墙
(kj-jlq)三种布置形式，模型规模即所分析构件分别是 1977、
2451、2112。
在楼板的建模中，为保证楼面荷载顺利传力，采用面截面膜单
元建模，并设定其在z轴的束缚来假定绝对刚性。分别对结构施加
模态工况，x，y方向的反应谱工况，x，y方向的pushover工况。
2模态分析
模态分析提取的动力特性主要是固有频率、周期和振型，它们
是动载荷作用下结构动态响应设计中的重要参数，同时也可以作为
其它动力学分析问题的起点。n层钢结构住宅低阶振型起到控制作
用，对结构的位移和内力的贡献较大，这里忽略高阶振型的影响取
前三阶振型进行分析对于纯框架结构来说，周期偏大且周期下降比
较缓慢，振型刚度较小，但是振型的特征很明显，质量参与系数密
集度较高，容易判定振型属性。
分析得知对于纯框架结构来说，周期偏大且周期下降比较缓慢，
振型刚度较小，但是振型的特征很明显，质量参与系数密集度较高，
容易判定振型属性，且振型特征与理论十分吻合;框架一支撑结构
的周期较小，周期下降比较缓慢，刚度较大，振型的特征不是很明
显，都是两种以上变形的叠加，质量参与系数比较分散，需要仔细
比较质量参与系数从而确定振型的属性，但是其结果与理论基本吻
合;框架一剪力墙的刚度最大，周期下降比较快，振型的特征明显，
但是扭转出现较早，这与剪力墙集中布置在电梯井有关。总体来说，
从模态分析可以初步判断模型建立的正确性和有效性以及三种结
构的基本振型状况，需要注意的就是框架剪力墙结构扭转的过早发
生，说明剪力墙的布置形式不是很理想，这将在计算结果中得到体
现。
3反应谱分析
按照《建筑抗震设计规范》要求，多遇地震下地震影响系数取
0.16，结构阻尼比取0.05，场地特征周期取0.45，对三种结构进
行x、y方向的地震反应谱分析，得到x、y方向各结构形式的计算
结果见表1、2;x、y方向各层质心位移见图1、2（以11层为例）;x、
y方向各层层间位移见图3、4（以11层为例）;x、y方向各层层间
位移角见图5、6（以11层为例）。
表1 x方向结构地震反应谱计算结果
表2 y方向结构地震反应谱计算结果
从计算的结果可以看出，在8度地震作用下，柱底剪力明显减
小，支撑和剪力墙对于分担柱底剪力的效果非常明显，纯框架结构
在该烈度下抵抗侧移的能力稍显不足，在x和y方向均没能控制柱
层间位移角超限;由于支撑的分散布置，刚度增加对于周围柱子的
承载力没有带来太大的压力，剪重比数值都很小，说明在罕遇地震
非线性的分析中考虑重力二阶效应是十分必要的，而且很有可能成
为控制因素，由于该结构在x和y方向的跨数相差不大，所以两个
方向的位移、柱底剪力相差不是很明显，不存在需要着重控制的方
向，柱子采用箱型柱也免去了强弱轴差异带来的结构某个单一方向
的刚度不足，随着抗侧力刚度的增加，最大层间位移角有向上发展
的趋势。
图1x方向各层质心位移 图2y方向各层质心位移
由x，y方向各层质心位移比较可以很明显的看出各种结构形式
对于侧向位移的控制能力，对于11层的小高层钢结构住宅，框架
结构和框架支撑结构位移任然能够按照剪切型的特征发生，而对于
框架剪力墙结构，其位移开始具有弯剪型的特征，主要原因是剪力
墙集中布置在电梯井中，使得结构的位移特点呈混凝土筒体的特
征。
图3 x方向各层层间位移图4 y方向各层层间位移 图5x方向
各层层间位移角图6 y方向各层层间位移角
从x、y方向三种结构层间位移和层间位移角的比较可以看出，
框架结构与框架支撑结构趋势基本相同，在第二层出现最大层间位
移和层间位移角，随着楼层的增加框架结构层间位移迅速减小，顶
层的层间位移往往成为三者中的最小，说明在小高层住宅中，框架
结构和框架支撑结构柱子的作用有很大程度的浪费，为了降低用钢
量，可采用变截面设计，随着楼层的增加对柱子截面进行折减。框
架剪力墙结构的层间位移图形比较平滑，楼层间的侧移变化不是很
大，且最大层间位移有向顶层发展的趋势，在设计的过程中不但不
能采用变截面折减，相反需要考虑顶层位移的控制。
总体而言，纯框架结构在8度区的抗震表现虽然不是很理想，
在侧移方面不能达到规范的要求，但是由于调整的幅度不是很大，
可以尝试增大构件截面的方式来控制位移超限，需要指出的是，由
于在本结构中使用了箱型截面的框架柱，其在控制两个方向侧移、
和承载力方面的效果比较显著，在实际的设计中是一个重点可以考
虑的柱形方案。框架一支撑和框架一剪力墙结构对于结构的抗侧力
作用都比较明显，是首先可以考虑的结构选型方案。
4 pushover分析
针对纯框架结构和框架一支撑结构在罕遇地震下的研究，特进
行pushover分析，对结构进行推覆，对结果进行比较。具体设置
除参数由于场地特征、和楼层高度不同而不同外，与上一章基本相
同。采用x方向和y方向单独推覆，采集代表性的剖面位置和推覆
步数观察出铰情况，比较结构在罕遇地震下的抗震性能和响应利用
atc一40规则，确定结构在8度地区要求的罕遇地震作用下的性能
点位移的结果可以得到表3。
表3 性能点位移比较表
框架结构性能点的位移大于框架一支撑结构，说明后者在罕遇
地震下的位移控制能力更加突出，在进入塑性区以后，框架结构和
框架支撑结构能力谱曲线没有太大的差别，是强柱弱梁起到了作
用。
注：文章内的图表及公式请以pdf格式查看