Pushover 在現役建筑抗震性能評估中的應用

郭志勇

強烈地震是世界最嚴重的自然災害之一，我國也是世界上遭受地震災害最為嚴重的國家之一，當前世界各地進入到了一個地震的活躍期，2008年汶川8.0級地震以及2010年青海玉樹7.1級地震都造成了相當嚴重的人員傷亡和財產損失，在建筑物損壞方面，以大開間、大開窗、外走廊的砌體結構和不規則的框架結構破壞尤為嚴重。與2011年3月11日日本9.0級大地震相比，我國建筑在地震中的破壞程度要嚴重的多。在國內，工程界大都把關注點放在抗震性能的設計上，而對現役建筑結構的性能評估關注較少，如何減輕地震中房屋的破壞程度，最大程度降低震害損失以及保護人民生命財產，有必要建立一套完整評估體系和適合于抗震性能評估的方法。

1 對現役建筑進行抗震性能評估的必要性

抗震設防是提高建筑物抗震性能的有效途徑，在我國，抗震的設防主要經歷了四個主要階段，而四個階段中各階段抗震設防的標準都有比較大的不同，從而使得各階段的所建房屋的抗震性能也各有不同。我國現有建筑主要存在以下三個方面的問題:1)大批20世紀80年代以前建造的房屋沒考慮抗震設防或設防能力嚴重不足;2)近年一些高層建筑的抗震措施和技術尚未經受過大震的檢驗;3)一些按抗震規范進行了抗震設計的現役建筑物，隨著時間的推移結構的很多動力參數都在變化，其抗震性能也在變化。所以，對諸如此類的建筑物采取相應的評估并據此進行合理的抗震加固，對最大限度的降低震害損失以及保護人民生命財產安全具有重要意義，也對抗震減災及房屋抗震評估和鑒定提出了新的任務和課題。

2 現役建筑抗震評估的方法

在我國，目前抗震性能評估方法主要分為兩大類，即確定性和非確定性評估方法，確定性評估方法仍然是廣泛使用的評估方法，工程界提出了經驗評估法、規范校核法、反應譜法、靜力非線性分析等很多種評估方法，通過對各種評估方法進行比較發現，經驗評估法不能反映結構延性性能這一關鍵性的結構抗震性能指標，更多的是對結構構造情況的評估［1］;規范校核法屬于半經驗半分析的一種評估方法［2］。反應譜法雖具有很強的實用性，但是該方法具有一定的局限性，僅適用于結構在多遇地震下處于彈性工作階段的評估;彈塑性時程分析方法因計算量大，過程復雜，因此，此法目前僅在一些重要的、特殊的、復雜的以及高層建筑結構的抗震分析中應用;而靜力非線性Pushover分析方法［3，4］可以從結構層面和構件層面對結構彈塑性性能進行很好的預測，可以更好的估計結構和構件的非線性變形，并且在與其他幾種分析方法相比時，非線性靜力分析方法能夠提供更多的結構或構件地震反應信息和較為穩定的分析結果，減小分析結果的偶然性，應用上來說也相對更簡單，可以節約分析時間和減少工作量。

3 Pushover方法在抗震評估中的應用

3.1 Pushover方法簡介

Pushover法是一種靜力非線性分析法，本質上是一種與反應譜相結合的靜力彈塑性分析方法，在國外的研究和應用較早，1975年由Freeman等提出了能力譜法的概念［5］，后來，美國和日本學者提出了基于性能和基于位移的抗震設計思想，在Pushover法中引入了地震需求譜曲線和能力譜曲線的概念，并促進了Pushover法在結構抗震性能評估等方面的發展和應用。Pushover法的基本原理是以某種方法得到結構在可能遭遇地震作用下所對應的目標位移，然后在對結構施加豎向荷載的同時，將表示地震作用的一組水平靜力荷載以單調遞增的形式作用到結構上，在達到目標位移時停止荷載遞增，最后在荷載終止狀態對結構進行抗震性能評估，判斷是否可以保證結構在該水平地震作用下滿足功能要求。

3.2 工程實例分析

3.2.1 工程概況

某辦公樓建成于1992年，采用鋼筋混凝土框架結構體系，共7層，建筑平面尺寸總長為36 m，總寬為22.80 m，結構標準層平面形式及尺寸見圖1。該結構總高23.7 m，底層層高為3.9 m，標準層層高為3.3 m;根據原始資料的收集及對原結構的鑒定結果，混凝土強度等級為C25，樓板為現澆混凝土雙向板，板厚100mm。該建筑場地類別為Ⅱ類場地土，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g，設計地震分組為第二組，場地特征周期為0.40 s。

3.2.2 分析模型

本文采用ETABS軟件根據建筑結構基本情況建立了如圖1所示的分析模型，并對其抗震性能進行分析評估。

3.2.3 側向加載模式

考慮到結構沿X和Y兩個方向抗震性能的不同，以及其他不同的影響因素，本文分別采用兩種不同的加載模式來對結構進行Pushover分析。

1)工況一:恒載工況+X方向的加速度工況;X方向的頂點位移監測。2)工況二:恒載工況+Y方向的加速度工況;Y方向的頂點位移監測。

3.2.4 分析結果

對于Pushover分析的結果，本文將從以下兩個方面來描述:

1)層間位移角。通過對原結構進行分析，得到結構在不同工況下的層間位移角如圖2所示，從圖2中可以看出，該結構在相當于相應抗震設防水準地震等級外力作用下的最大層間位移角出現在第三層，分別對結構X向和Y向分析后，得出X向樓層層間位移角曲線如圖2a)所示，Y向樓層層間位移角曲線如圖2b)所示，最大層間位移角為0.00229，在我國現行抗震設計規范中，對于鋼筋混凝土框架結構，其結構彈塑性層間位移角的限制為1/50，通過比較可知該結構的彈塑性層間位移角小于規范規定的限值，滿足我國現行抗震設計規范的要求。

2)塑性鉸分布。該結構的塑性鉸首先出現在梁端，這說明該結構滿足強柱弱梁的要求，具有一定的延性能力，框架柱塑性鉸首先出現在底層，發展順序基本上是從下往上發展，到達結構的性能點后在四層轉角處框架柱出現破壞，這說明該結構在大小相當于相應抗震設防水準地震等級外力的作用下，結構出現了破壞，但不至于立即倒塌，能達到大震不倒的抗震要求，③軸線兩方向的塑性鉸分布如圖3所示。

4 結語

雖然建筑抗震性能的好壞主要取決于建筑抗震的設防，工程界也把大量的精力用于如何提高建筑抗震設防，而現狀是人們都居住在已建的建筑物中，對現役建筑物采取相應的評估并據此進行合理的抗震加固具有重要意義。

［1］ GB 50023-95，建筑抗震鑒定標準［S］.

［2］ GB 50011-2001，建筑抗震設計規范［S］.

［3］ Building Seismic Safety Council(BSSC).NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings.FEMA273/274.Developed for the Federal Emergency Management Agency.Washington DC，1997.

［4］ Helmut krawinkler，senviratna G D K.Pros and Cons of a Pushover Analysis of Seismic Performance Evaluation［J］.Engineering Structures，1998(20):452-464.

［5］ Freeman S A，Nicoletti J P，Tyrdl J V.Evaluation of existing buildings for seismic risk-acase study of Puget sound naval shipyard.Bremerton，Washington，Proc.lst U.S.National Conf.Earthquake Engeering.EERI，Berkley，1975.