某8度區超限辦公樓靜力彈塑性分析

張尓旋，李培

(1.北京建筑大學，北京100044；2.華誠博遠（北京）工程設計集團有限公司，北京100052)

某8度區超限辦公樓靜力彈塑性分析

張尓旋1，李培2

(1.北京建筑大學，北京100044；2.華誠博遠（北京）工程設計集團有限公司，北京100052)

本工程運用MidasBuilding結構設計軟件進行靜力彈塑性分析，總結出結構在罕遇地震作用下的破壞特點。找到性能點處的極限層間位移角，并驗證是否滿足規范限值要求；通過統計框架鉸狀態，分析結構的安全性和布置的合理性；觀察墻體混凝土的應變水平，可找到豎向構件的薄弱環節，在設計深化環節中適當加強。

靜力彈塑性；塑性鉸；性能點

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.007

1 工程概況

本工程位于北京市，抗震設防烈度為8度，三類場地;框架剪力墻結構，地上 12層，地下 3層；總建筑面積為60000m2，地上總高度為41.5m（見圖1）。建筑的使用功能主要是辦公和相應區域配套用結構主體體型呈工子型（見圖2），共有5項不規則，屬超限結構。根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）[1]規定，需進行靜力彈塑性分析。

圖1 某工程結構主體三維示意圖

用振型分解反應譜法計算所得結構特性詳見表1。

表1 結構整體信息表

圖2 某工程典型樓層軸測圖

2 定義靜力彈塑性分析荷載工況

1）在進行靜力彈塑性分析之前，先定義結構的初始內力狀態，考慮結構的初始荷載。《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3—2010）[2]3.11.4中規定，復雜結構應進行施工模擬分析，以施工全過程完成后的內力狀態為初始狀態，因此，定義恒載加0.25倍活載為結構的初始豎向荷載。

2）本工程選用層剪力的模式模擬側向荷載的加載，以便能夠真實地反應實際的地震力分布，從而獲得結構的水平加載能力曲線。電算中先用振型分解反應譜法計算結構各樓層的樓層剪力，并由各樓層的層間剪力計算得出的水平荷載，作為下一步側向荷載的分布形式。

3 定義靜力彈塑性鉸

1）為保證本工程靜力彈塑性分析的準確性，在模型中選用具有非線性鉸特性的彎矩-旋轉角梁柱單元。各構件主要分為以下3種情況。

（1）框架梁：主要考慮內力成分為My

（2）框架柱：主要考慮內力成分為My，并考慮柱子軸力與兩個方向彎矩的疊加作用，鉸內力關系為P-M-M相關。

（3）剪力墻采用纖維模型。

2）梁、柱單元力和變形的關系曲線選用FEMA曲線，用以定義框架鉸的非線性特性值[3]。

圖3 FEMA曲線示意

圖3中，A-B區段為彈性區段，經過屈服點B后，B-C區段開始進入應變強化階段，在此區段內構件剛度為初始剛度的5%～10%，此時開始對相鄰構件進行內力重分配；c點為構件的極限承載力，下降段C-D為構件初始破壞階段，此時構件的主筋斷裂、混凝土破裂。點E為極限變形狀態，此時構件無法繼續承受重力荷載。同時，在B-C區段內，還出現了幾個單獨設定的控制點，分別是IO（ImmediateOccupancy）可立即使用極限狀態、LS（LifeSafety）生命安全極限狀態、CP（Collapse Prevention）防止倒塌極限狀態，用以區分不同的設防水準要求[4]。

4 罕遇地震作用下的結構整體評價

4.1 性能點處的最大層間位移角和大震作用下的基底剪力

在進行靜力彈塑性分析設計后，可得到結構X、Y方向的能力譜-需求譜曲線。因文章篇幅關系，僅以Y方向為例進行說明。在推覆的過程中，結構的性能點在推覆第21步出現（見圖4）。

圖4 Y方向能力譜-需求譜曲線

圖5 Y方向極限層間位移角

由Y方向性能點處極限層間位移角（見圖5）數據分析可知，在罕遇地震作用下，最大層間位移角出現在第4層，約為樓總高的1/184，小于規范要求大震不倒的1/100，滿足大震不倒要求。

在性能點處，結構主體在罕遇地震作用下的最大基底剪力約為78 000kN（見圖6），相比于用反應譜法得出的多遇地震下的基底剪力35 109kN（見表1），比值約為2～3倍之間，較為合理。

圖6 Y方向最大基底剪力

4.2 性能點處的框架鉸狀態

如圖7所示，以Y方向為代表說明，在性能點處，框架鉸的出鉸位置大部分在梁端，體現了強柱弱梁的設計思路，且根據樓層鉸數量的統計表格結果顯示，框架梁鉸中83%以上呈彈性，約12%梁鉸呈B（屈服）階段，LS（life safety生命安全）階段不足1%；框架柱中，92%以上柱鉸成彈性，約7%柱鉸屈服，無呈破壞狀態柱鉸。

圖7 性能點處Y向框架鉸狀態

根據框架較狀態圖（見圖7）和統計表格（見表2、表3），可直觀反映出在罕遇地震作用下，大部分框架構件完好無損，呈彈性階段；約12%梁端輕微損壞，出現裂縫，進入塑性階段，但塑性程度較淺。梁柱無嚴重破壞，因此,可以判定整個框架體系布置較為合理。

表2 FEMA梁鉸狀態統計表

表3 FEMA柱鉸狀態統計表

4.3 性能點處的墻鉸狀態

圖8 性能點處Y向墻混凝土應變等級

如圖8所示，以Y方向為代表說明，在性能點處，剪力墻破壞位置基本出現在連梁，充分發揮出了連梁作為耗能構件的作用。90%以上的剪力墻混凝土應變等級處于三級以下；底層局部剪力墻應變等級達到四級至五級，混凝土被壓碎，暴露出了結構的薄弱部分，此部分墻體將在設計和施工時予以加強。

5 結語

通過靜力彈塑性分析，對本工程在罕遇地震作用下進行變形研究，反應出結構在大震作用下的彈塑性受力性能。用施加單調增加的水平荷載方式對結構進行推覆，以FEMA為骨架曲線考慮框架鉸的變形特性，模擬真實受力情況定義構件的塑性鉸位置。以結構的實際配筋進行分析，找到性能點后，分析結構的受力和變形特點，明確結構的薄弱部位，并評估整體結構、結構構件的抗震性能。得知主體結構在罕遇地震工況下位移滿足規范限值，框架鉸的分布滿足“強柱弱梁”的概念設計要求；底部墻體鋼筋未屈服，局部混凝土被壓縮，發現了在設計中應重點加強的部位，對后續設計深化能起到指導作用。

【1】GB50011—2010建筑抗震設計規范[S].

【2】JGJ3—2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].

【3】汪大綏,賀軍利,張鳳新.靜力彈塑性分析(PushoverAnalysis)的基本原理和計算實例[J].世界地震工程,2004,20(1):45-53.

【4】趙繼,高德志,侯曉武.MidasBuilding靜力彈塑性分析原理及實現[J].建筑結構,2013,43(1):836-841.

Ultra-limit Structure Pushover Analysis in Eight Degree Earthquake Area

ZHANGEr-xuan,LIPei

(1.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture，Beijing 100044,China; 2.Huachengboyuan(Beijing)ArchitectureDesign&Urban Planning Co.Ltd.，Beijing 100052,China)

Thisprojectanalyzesthestaticelastic-plasticitybyapplyingtheMidasBuildingstructuredesignsoftware,andsummarizesthe damagefeaturesofthestructureundertherareevent ofearthquake.Thispaperwill testand verifywhetherthespecificationlimitissatisfied afterfindingtheultimateinter-storydisplacementangleattheperformancepointandwillanalyzesafetyofthestructureandrationalityofthe layoutbycountingtheframeworkcondition.Theobservationaboutthestrainlevelofthewallconcretecanleadtothevulnerablespotsinthe verticalmembers,whichcanbesuitablyreinforcedinthedesigndevelopmentphase.

staticelastic-plasticity;plastichinge;performancepoint

TU313

A

1007-9467（2016）07-0044-03

2016-03-25

張尓旋(1988～)，男，北京人，助理工程師，從事混凝土結構設計與研究，（電子信箱）13488804703@126.com。