幾種地震反應分析方法對框架-剪力墻結構抗震性能評估的比較

王凌飛,趙歆冬,孫文秀,王樂天

(西安建筑科技大學 土木工程學院,陜西 西安710055)

0 引 言

地震反應分析,特別是非線性反應分析,是在許多假定條件下進行的。這些假定與框架-剪力墻這種有多道抗震防線的結構可能有更大的出入。首先,對地震的估計,由于地震的不確定性和復雜性,可能出現成倍的誤差。其次,對結構承載力、動力特性,特別是非線性評估,不準確性也有可能使誤差達到5%左右,這些誤差當然都是反映在地震反應分析結果中的[1,2]。

然而,這并不能就此否定地震反應分析的實用性和必要性。大量的事實表明,如果對鋼筋混凝土框架-剪力墻這樣的有良好抗震性能的結構類型再做必要的抗震分析,找出其薄弱部位并設法加強,則可使其抗震性能得到更大的優化[3,4]。根據我國《抗震規范》關于高層建筑抗震算法的規定[5],本文通過對一工程實例的多方面分析及其結果的比較,得出就框架-剪力墻結構進行地震反應分析時各種方法的優劣,并明確了框架-剪力墻結構在水平地震作用下的受力和變形特征。

1 實際工程概況

該工程為一酒店,總建筑面積18 432 m2,總層數15層,地下1層,地上14層,總高度56.2 m,采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構,結構呈平面矩形布置,在平面各角部利用樓、電梯間設置一定數量的剪力墻作為主要抗側力構件。由于建筑功能的要求,5層以下樓板有嚴重的缺失,屬于樓板局部不連續。柱截面尺寸700 mm×700 mm。樓板為現澆混凝土板,地下室板厚180 mm,地上板厚100 mm。梁、板、柱、墻的混凝土強度等級4層以下C40,5～10層C35,11層以上C30。計算時采用材料強度的設計值。抗震設防烈度7.5度,設計基本地震加速度值0.15 g,設計地震分組一組,安全等級二級。

2 實際工程地震反應分析

2.1 結構彈性分析(多遇地震)

多遇地震作用下,周期比T3/T1=0.63,各層剪重比均滿足規范要求(2.4%),各層的位移比也滿足規范要求[5]。此時可以認為,結構在多遇地震動作用下是安全、可靠的。地震作用下層間位移角見圖1。

2.2 彈塑性靜力計算(彈塑性靜力推覆分析方法EPSA)

采用靜力推覆分析方法—Push-Over Analysis對結構進行罕遇地震作用下的彈塑性變形驗算。分別用倒三角、均布兩種加載模式對三維結構施加側向荷載[6～8]。經驗算后,在同一坐標系中繪制結構的需求曲線、周期—加速度曲線(能力曲線)、周期—最大層間位移曲線。分別見圖2、圖3。

圖1 地震作用下層間位移角

圖2 采用倒三角加載模式的推覆曲線

圖3 采用均布加載模式的推覆曲線

由以上計算結果可知,結構在兩種側向荷載的作用下,能力曲線與需求曲線均有交點,此時可認為結構的變形驗算可以通過,即結構的最大彈塑性變形均滿足1/100的規范限制。由于框架-剪力墻結構在水平荷載作用下,變形呈彎剪型,結構的豎向剛度分布比較均勻,因此結構下部變形要比上部變形略大,而均布加載模式強調的是地震對低層的影響,倒三角加載模式則強調的是地震對高層的影響,所以采用倒三角加載模式的需求層間位移角的值要比均布加載的小。

2.3 彈塑性動力計算(彈塑性動力時程分析方法—EPDA)

采用彈塑性動力時程分析方法對結構進行罕遇地震作用下的彈塑性變形驗算[9,10],在特征周期為0.45 s的地震波型庫中選取一人工波及兩條天然波(TH2TG045;Taft)進行輸入,結構采用三維空間模型及三向地震波進行驗算,地震波主分量峰值加速度取310 cm/s2,次分量峰值加速度與豎直分量峰值加速度分別取主分量峰值加速度的0.85倍及0.65倍(驗算結果見圖4)。

圖4 主、次方向最大層間位移角曲線

2.4 結構塑性絞分析

在推覆分析過程中,可以清楚地看到:結構的塑性絞首先出現在中部框架梁的端部,隨著推覆分析的進行,剪力墻底部和底層框架柱也開始出現塑性絞(見圖5)。

圖5 倒三角加載模式下塑性絞分布圖

3 結 論

(1)從上面的分析可知,盡管彈性分析的結果與采用倒三角加載模式的推覆分析結果接近,但是它不能反映結構塑性絞出現的位置及順序,這對結構抗震性能的評估有一定的局限性。而靜力彈塑性推覆分析(Push-Over)卻能比較明顯地反應結構塑性鉸出現的部位和順序,總的分析結果也與動力時程分析結果吻合的較好。

(2)對于靜力彈塑性分析,從分析過程中塑性鉸出現的順序和位置來看,倒三角加載模式強調的是地震對高層的作用,而均布加載模式強調的是地震對低層的作用。從分析結果來看,均布加載模式下的分析結果與時程分析的結果比較接近。

(3)從程序運行時間來看,彈性分析與Push-Over推覆分析的時間明顯地比動力時程分析短。因此,作為一種簡化結構抗震分析方法,尤其是初步設計階段Push-Over方法是實用和可靠的。

(4)對這種有多道抗震防線的框架-剪力墻結構,建議首選均布加載模式的靜力彈塑性分析法來初步評價結構的抗震性能。

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