罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析的探討

陳 敏

(貴陽建筑勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州貴陽 550081)

彈塑性時(shí)程分析方法將結(jié)構(gòu)作為彈塑性振動(dòng)體系加以分析，直接按照地震波數(shù)據(jù)輸入地面運(yùn)動(dòng)，通過積分運(yùn)算，求得在地面加速度隨時(shí)間變化期間內(nèi)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形隨時(shí)間變化的全過程，也稱為彈塑性直接動(dòng)力法。

1 目的和工程概況

本文以某工程大震彈塑性計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗震性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，論證該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)“大震不倒”的抗震性能目標(biāo)。

具體內(nèi)容概括如下:

1)該工程主要用途為酒店和辦公樓，結(jié)構(gòu)總高160 m，平面主要尺寸為37 m×35 m，結(jié)構(gòu)采用剪力墻的結(jié)構(gòu)形式，《高規(guī)》中第5.1.13條規(guī)定“B級(jí)高度的高層建筑、混合結(jié)構(gòu)和復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，宜采用彈塑性靜力或彈塑性動(dòng)力分析方法補(bǔ)充計(jì)算”。本工程屬于超過《高規(guī)》表3.3.1-2中B級(jí)最大適用高度的一般不規(guī)則結(jié)構(gòu)，需要做彈塑性動(dòng)力分析;

2)罕遇地震彈塑性時(shí)程分析采用PF3D，輸入了3組三向地震波(USER1，USER2和USER3)進(jìn)行分析。按照《抗規(guī)》的規(guī)定，地震波水平方向主、次及豎向分量加速度峰值的比值為1∶0.85∶0.65，地震波主分量加速度峰值取220 cm/s2，次分量峰值為187 cm/s2，豎向分量峰值為143 cm/s2。進(jìn)行該分析主要目的是考察在罕遇水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性的發(fā)展歷程、彈塑性變形和構(gòu)件的損傷程度，并對(duì)構(gòu)件能否達(dá)到預(yù)期性能水準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估;

3)本結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，因此要驗(yàn)證水平地震作用下結(jié)構(gòu)的傳力途徑和特點(diǎn)，判斷關(guān)鍵部位的地震損傷情況;判斷該結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件的彈塑性損傷位置的分布和柱端PMM鉸是否出現(xiàn)和變形等;

4)在設(shè)防要求的基礎(chǔ)上，提供優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2 整體模型構(gòu)成

整體模型是用三維非線性結(jié)構(gòu)分析軟件Perform3D建立，結(jié)構(gòu)模型非線性數(shù)據(jù)依據(jù)Etabs模型和PKPM模型計(jì)算分析及配筋。梁采用彈性桿+轉(zhuǎn)角型塑性鉸的模型來模擬其非線性變形特征，梁配筋信息依據(jù)Etabs計(jì)算結(jié)果(根據(jù)中國相關(guān)規(guī)范計(jì)算得出的配筋結(jié)果)，并根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和高層建筑混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程的計(jì)算公式，確定梁端屈服彎矩和轉(zhuǎn)角，并根據(jù)美國ASCE 41-06，F(xiàn)ema 356及中國規(guī)范定義其抗震性能目標(biāo)。墻單元的壓彎非線性定義:對(duì)于墻的加載—承載關(guān)系的評(píng)估，ASCE 41-06中TABALE 6-18提供了可接受的塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)，在Perform3D中采用GAUGE組件對(duì)墻體的最不利點(diǎn)作進(jìn)一步評(píng)估。墻單元的抗剪非線性定義由于剪力墻的剪切較易發(fā)生脆性破壞，因此墻單元的剪切特性由混凝土彈塑性剪切本構(gòu)截面組成，考慮剪力墻的剪切非線性。由于本工程所用剪切本構(gòu)為簡(jiǎn)化的考慮剛度退化的本構(gòu)曲線，未考慮墻體配筋與軸力對(duì)本構(gòu)影響，而中國規(guī)范中剪力墻的抗剪承載力不但與剪力墻的水平鋼筋有關(guān)，還與剪力墻受到的軸壓力和拉力有關(guān)(JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程7.2.10條和7.2.11條)，因此有必要在計(jì)算完之后把剪力墻的剪應(yīng)力時(shí)程曲線提取出來比較剪力墻的抗剪承載力與所受實(shí)際剪應(yīng)力情況。

3 材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

用塑性纖維模型模擬墻的彈塑性壓彎變形時(shí)，需要用到鋼筋和混凝土材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。Perform3D模型中用雙線型滯回模型模擬鋼筋，并且計(jì)入包興格效應(yīng)，考慮滯回過程中的剛度退化;用三折線模型模擬混凝土壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，根據(jù)混凝土規(guī)范附錄C的公式和指標(biāo)來確定相關(guān)參數(shù)。

4 結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)

根據(jù)本工程的重要性，依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》確定本結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為C級(jí)，抗震性能水準(zhǔn)按表1控制。

表1 C級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能設(shè)計(jì)目標(biāo)及震后性能狀態(tài)

4.1 模型監(jiān)測(cè)

模型監(jiān)測(cè)分為宏觀監(jiān)測(cè)和微觀監(jiān)測(cè)，宏觀監(jiān)測(cè)指構(gòu)件層次的性能監(jiān)測(cè)，微觀監(jiān)測(cè)指材料層次的應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)。宏觀監(jiān)測(cè):對(duì)梁、柱建立轉(zhuǎn)動(dòng)GAUGE組件和軸向GAUGE組件，進(jìn)行梁柱的基于ASCE 41-06準(zhǔn)則的性能監(jiān)測(cè)，對(duì)墻建立轉(zhuǎn)動(dòng)、剪切GAUGE組件，進(jìn)行墻單元、殼連梁?jiǎn)卧まD(zhuǎn)換梁?jiǎn)卧幕贏SCE 41-06準(zhǔn)則的轉(zhuǎn)動(dòng)、剪切性能監(jiān)測(cè);對(duì)梁定義彎矩—曲率鉸，對(duì)柱定義雙向軸力—彎矩—曲率鉸，對(duì)鉸承載力進(jìn)行基于Fema 356準(zhǔn)則的延性監(jiān)測(cè);對(duì)樓層定義層間位移角變形監(jiān)測(cè);對(duì)樓層定義截面組，進(jìn)行層間剪力、彎矩監(jiān)測(cè)。微觀監(jiān)測(cè):定義混凝土單軸彈塑性本構(gòu)，對(duì)混凝土拉壓性能進(jìn)行應(yīng)力—應(yīng)變監(jiān)測(cè)，定義混凝土剪切彈塑性本構(gòu)，對(duì)混凝土抗剪性能進(jìn)行應(yīng)力—應(yīng)變監(jiān)測(cè)，定義混凝土斜壓彈塑性本構(gòu)，對(duì)混凝土斜壓性能進(jìn)行應(yīng)力—應(yīng)變監(jiān)測(cè)，定義鋼材、鋼筋三折線彈塑性本構(gòu)，對(duì)鋼材、鋼筋進(jìn)行應(yīng)力—應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

4.2 加載方式

1)構(gòu)件配筋信息采用PKPM的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算構(gòu)件的鉸特性值。

2)結(jié)構(gòu)質(zhì)量通過作用在結(jié)構(gòu)上的荷載轉(zhuǎn)換為樓層各節(jié)點(diǎn)質(zhì)量形成，可保證質(zhì)量總量和分布的準(zhǔn)確性。

3)基于《安評(píng)報(bào)告》罕遇地震影響系數(shù)曲線長周期段相對(duì)于《抗震規(guī)范》略低，并考慮到《抗震規(guī)范》反應(yīng)譜對(duì)長周期段譜值的提高，地震輸入時(shí)仍將地震波的影響作用調(diào)高到《抗震規(guī)范》的罕遇地震作用等級(jí)(即地震動(dòng)主方向有效峰值加速度調(diào)整為220 cm/s2)。記錄波采用了水平雙向地震輸入，主、次方向有效峰值加速度比例為1∶0.85;人工波采用了水平單向地震輸入。

4.3 構(gòu)件損傷

在罕遇地震下，大部分外框梁以及連接核心筒與框架柱的框架梁進(jìn)入開裂狀態(tài)但未進(jìn)入屈服，約1/4的框架梁屈服，核心筒內(nèi)少數(shù)鋼筋混凝土梁進(jìn)入屈服狀態(tài);外圍框架柱在大屋面處出現(xiàn)開裂，裙房框架柱在裙房頂部亦出現(xiàn)裂縫，但均未進(jìn)入屈服階段，故對(duì)這些部位的柱提高縱筋配筋率，以提高其承載力;另外，連接體桁架、次梁以及水平支撐的鋼構(gòu)件由于采用雙折線鉸，計(jì)算未輸出任何狀態(tài)則說明構(gòu)件未屈服，這是由于連體所在的樓層不高，承受的水平力不大;外筒剪力墻剪切應(yīng)變等級(jí)絕大部分小于3級(jí)(即最大剪切應(yīng)變?chǔ)茫鸡?，γ0如前所述為屈服剪應(yīng)變)，西塔第10層與跨高比較小的連梁相連的剪力墻，損傷等級(jí)達(dá)到了5級(jí)，故對(duì)這些部位的剪力墻提高水平鋼筋配筋率，并驗(yàn)算了上述樓層剪力墻的抗剪承載力及首層剪力墻的抗剪截面，以保證此薄弱部位抗剪不屈服，設(shè)計(jì)時(shí)取驗(yàn)算的配筋和多遇地震、設(shè)防地震的包絡(luò)值。

4.4 罕遇地震作用下分析結(jié)論

通過結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能分析結(jié)果，可以得出如下結(jié)論:

1)罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力達(dá)到小震基底剪力的4.8倍，地震作用量級(jí)合理。

2)結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角均小于規(guī)范限值要求。

3)框支柱、框架柱均在彈性工作狀態(tài)。

4)框支梁混凝土受壓及鋼筋拉壓均處于彈性工作狀態(tài)，沒有做到罕遇地震下抗剪彈性，罕遇地震下受剪截面不滿足規(guī)范要求，需要按大震。

5)剪力墻混凝土受壓(正壓、斜壓)及鋼筋受拉均處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，沒有發(fā)生抗壓及彎曲屈服;頂部個(gè)別墻肢(殼梁托墻)局部受剪屈服，需要加強(qiáng)，整體結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)整片墻肢的剪切屈服和破壞。

6)大部分樓層連梁及框架梁梁端進(jìn)入彎曲屈服狀態(tài)，但剪切強(qiáng)度檢測(cè)顯示，均未出現(xiàn)框架梁受檢超過規(guī)范允許抗剪承載力，連梁剪切鉸檢測(cè)顯示，連梁受剪未超規(guī)范允許承載力，連梁普遍先于框架梁進(jìn)入彎曲屈服狀態(tài)，結(jié)構(gòu)具有良好的多道防線和耗能體系。

結(jié)論:罕遇地震作用下各項(xiàng)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)可滿足預(yù)先設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

［1］陸新征，葉列平.抗震彈塑性分析［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］潘志宏.既有建筑結(jié)構(gòu)彈塑性抗震性態(tài)評(píng)價(jià)方法及實(shí)現(xiàn)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.