某復雜高層建筑結構動力彈塑性時程分析研究

周立朋

廣東省建筑設計研究院北京分院（100081）

某復雜高層建筑結構動力彈塑性時程分析研究

周立朋

廣東省建筑設計研究院北京分院（100081）

通過對某復雜高層建筑結構進行動力彈塑性時程分析,模擬結構在地震作用下全過程反應，得到其在罕遇地震作用下的彈塑性變形，確定結構薄弱部位和薄弱構件,為復雜建筑結構的設計及優化提供參考，避免為增加結構的安全儲備，造成不合理的資源浪費。

復雜高層建筑；動力彈塑性；時程分析；薄弱部位

0 引言

近年來，隨著我國經濟實力的增強,高層建筑的建設規模居世界之前列。房屋的高度和復雜也不斷增加，不少高層建筑結構超出設計規范、規程的適用范圍和有關的抗震設計規定。如何評估和保證其在地震作用下的可靠性，是眾多結構設計師在建筑結構的抗震設計研究中最為關注的課題。

動力彈塑性分析方法是由結構初始狀態直至地震作用結束逐步積分，能夠計算結構構件在每個地震波記錄時刻的地震反應，對結構的整體抗震性能做出了比較合理的評價，是一種評估結構抗震性能的合理方法。

在強烈地震作用下，抗震設計規范中規定的結構的彈塑性變形驗算,實質上就是薄弱樓層的層間彈塑性最大位移是否在其允許的范圍內。因此，確定結構的薄弱樓層非常重要。尤其對于一些不規則結構，采用彈塑性時程分析能夠暴露出結構在彈性分析階段無法顯示的薄弱環節，例如樓層的破壞機制、薄弱部位的過大變形等。此方法能夠較好地真實反映出結構的彈塑性性能，通常被設計師認為是結構彈塑性分析最可靠的方法，尤其對于高柔結構。

通過對復雜建筑結構進行動力彈塑性時程分析，得到建筑結構的內力（基底剪力）和位移的指標滿足規范要求，滿足三水準中“大震不倒”的設計要求和三階段設計中第二階段罕遇地震作用下的“彈塑性變形驗算”《建筑抗震設計規范》5.5.5。動力彈塑性分析除了計算整體指標之外，還可以提供各構件在地震輸入過程中的力和變形（局部變形）發展的全過程，給出構件破壞的性質、分布、程度和形成屈服機制的順序，這些信息更詳細地記錄了結構在大震反應的過程和特征，能夠為改進結構設計提供依據。同時，準確的抗震計算也有助于結構的優化設計，避免為了增加安全儲備，不合理地加大截面，造成資源浪費。在“基于性能化的抗震設計”體系中，對構件損傷的評估是作為結構抗震性能評價的重要指標。

1 動力彈塑性分析的基本原理

多自由度體系在地面運動作用下的振動方程為:

2 工程實例分析

2.1 工程概況

某高層建筑結構，底部4層局部為商鋪，其余為架空層，5層以上為住宅，共23層，結構高度72.7 m，部分框支剪力墻結構，5層部分轉換，平面不規則，屋頂處局部有退臺。

2.2 地震波的選擇及結果取值

地震波的選取，對彈塑性時程分析而言至關重要，因為不同的地震波的結構反應有時相差較大，規范也沒有規定彈塑性時程分析時的選波依據。當然我們可以逐個波進行試算，剔除結構反應明顯小的波，再選一組直到選夠為止。但是這樣很浪費時間，建議可以按規范規定的方法先通過彈性時程分析法選擇滿足規范要求的波，再進行彈塑性分析計算。

2.3 材料本構關系的選擇

鋼材的本構關系選用理想彈塑性模型。

混凝土單軸本構關系選擇三線性模型，三線性模型是按照規范給出的混凝土本構關系，根據等能量原則得到的,并且可以考慮塑性階段加載、卸載剛度的降低。

2.4 基于GSNAP的動力彈塑性時程分析

2.4.1 分析結果的可靠性判斷

下圖為計算工程的頂層平均時程響應曲線。

圖1 平均時程曲線

由圖1可以看出頂層平均時程響應曲線的波形沒有發散，說明分析是可靠的。

2.4.2 罕遇地震作用下最大層間位移角和薄弱層

通過計算得到每條地震波作用下各個樓層的平均和最大層間位移角，進而得到多條地震波的平均層間位移角均值。這里僅列出0度方向的計算結果。

圖2 最大層間位移角

通過圖2可以得到，樓層的平均位移角為1/700，滿足《建筑抗震設計規范》的要求。由層間位移角曲線和有害層間位移角曲線在5層和24層，27層為薄弱層，實際中5層為部分轉換，24層為平面局部退臺，27層以上為坡屋面，符合結構概念上的判斷。

至于薄弱構件的判定可以根據桿件的塑性鉸和剪力墻的彈塑性狀態顯示情況判斷。

3 結語

采用GSNAP可對復雜高層建筑結構進行動力彈塑性時程分析，通過分析可以真實反映各個時刻地震作用引起的結構響應，包括變形、應力、損傷形態（開裂和破壞）等，驗證結構在罕遇地震作用下的變形是否滿足規范要求；通過此方法能夠較好地真實反映出結構的彈塑性性能，較為準確的判斷結構的薄弱部位，為結構的設計提供依據，做到有的放矢。

[1]GB 50011-2010,建筑抗震設計規范[S].中華人民共和國行業標準,北京:中國建筑工業出版社,2010.

[2]J 186-2010,高層建筑混凝土結構技術規程[S].中華人民共和國行業標準,北京:中國建筑工業出版社,2010.

[3]劉軍進,肖從真,王翠坤,徐自國,田春雨,陳凱.復雜高層與超高層建筑結構設計要點[J].建筑結構,2011:34-40.

[4]董建超,常躍州.轉換層復雜高層結構設計探討[J].河南建材,2012(02).

[5]王傳甲,陳志強,王慶揚,張勁,閻曉銘,彪仿俊.通用有限元軟件ABAQUS在動力彈塑性時程分析中的應用[J].建筑結構,2006(S1).