靜力彈塑性分析在窯尾塔架設(shè)計中的實踐

李 剛（中國中材國際工程股份有限公司（南京），江蘇 南京 211100）

0 引言

窯尾塔架作為水泥廠的重要的高層建筑，其結(jié)構(gòu)的安全性能至關(guān)重要。隨著我公司結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作的開展，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面比以往設(shè)計大大減小，無形中降低了結(jié)構(gòu)的極限承載能力；為進(jìn)一步了解窯尾塔架在罕遇地震下的工作性能，有必要對塔架結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的結(jié)構(gòu)整體性能和構(gòu)件性能進(jìn)行評估。針對窯尾塔架的結(jié)構(gòu)特點及抗震規(guī)范要求，現(xiàn)以我公司設(shè)計的寧夏建材集團(tuán)產(chǎn)業(yè)扶貧產(chǎn)能置換建設(shè)5000t/d項目窯尾塔架進(jìn)行在罕遇地震下的靜力彈塑性分析（PUSH-OVER ANALYSIS），以驗證構(gòu)筑物抗震性能目標(biāo)，評價其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。

1 靜力彈塑性分析方法簡介

靜力彈塑性分析方法也稱為推覆法，該方法基于美國的FEMA-273抗震評估方法和ATC-40報告，是一種介于彈性分析和動力彈塑性分析之間的方法，其理論核心是“目標(biāo)位移法”和“承載力譜法”[1]。

本案例分析程序采用中國建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所研發(fā)的PKPM彈塑性結(jié)構(gòu)分析軟件PUSH&EPDA。PUSH&EPDA程序采用了目前階段可以使用的較為先進(jìn)的梁單元模型。梁、柱、支撐等一維構(gòu)件采用纖維束模型模擬，纖維束模型的適用性好，不受截面形式和材料限制，被認(rèn)為是一種較為精確的桿系有限單元模型[2]。

2 概況介紹

2.1 分析目標(biāo)

（1）驗證本構(gòu)筑物在三水準(zhǔn)設(shè)防中的“大震不倒”，得到結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的塑性開展過程與開展程度，根據(jù)主要抗側(cè)力構(gòu)件的塑性損傷和整體變形情況，確定結(jié)構(gòu)是否滿足“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)預(yù)定的性能目標(biāo)；

（2）兩階段設(shè)計中的“第二階段彈塑性變形驗算”強震下變形驗算。根據(jù)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的基底剪力、層間位移角等綜合指標(biāo)，評價結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的力學(xué)性能；針對結(jié)構(gòu)薄弱部位和薄弱構(gòu)件做出相應(yīng)的調(diào)整與完善。

通過分析和總結(jié)，以提供支持結(jié)構(gòu)設(shè)計的決策依據(jù)，為后續(xù)項目設(shè)計提供借鑒。

2.2 項目概況

工程抗震設(shè)防烈度8度（0.2g），設(shè)計地震分組為第三組，場地土類別Ⅱ類，場地特征周期0.45s，計算罕遇地震作用時，特征周期應(yīng)增加0.05s。

基于本構(gòu)筑物功能以及結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)力性能等考慮，本塔架結(jié)構(gòu)采用雙重抗側(cè)力體系鋼管混凝土框架-中心支撐結(jié)構(gòu)體系來抵抗水平作用。

窯尾框架為鋼管混凝土鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)，其中鋼柱為焊接圓形鋼管混凝土柱，鋼梁為焊接H型鋼梁，支撐為焊接圓形截面中心支撐，樓板為花紋鋼板。

結(jié)構(gòu)總高度105.450m，結(jié)構(gòu)平面尺寸為18.1m×26.6m，結(jié)構(gòu)阻尼值取0.05。抗側(cè)力體系立面示意圖見圖1。

圖1 窯尾塔架抗側(cè)力體系立面

2.3 抗震性能目標(biāo)

針對窯尾塔架結(jié)構(gòu)特點，《參照高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010），《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99—2015）及《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50396-2014），制定塔架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)，見表1。

表1 塔架結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

2.4 抗震設(shè)計思路

對于小震和中震下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)，通常我們只需要按小震作用效應(yīng)和其它荷載效應(yīng)的基本組合，驗算構(gòu)件截面抗震承載力及結(jié)構(gòu)的彈性變形。而中震作用效應(yīng)則需要結(jié)構(gòu)靠一定的塑性變形能力（即延性）來抵抗。我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范根據(jù)不同的設(shè)防烈度及建筑物特點對結(jié)構(gòu)延性提出了相應(yīng)要求，設(shè)計時采取抗震措施加以保證。

在大震（罕遇地震）情況下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件允許進(jìn)入屈服，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變呈非線性，構(gòu)件剛度退化，阻尼減少，不能用彈性分析，而是需要彈塑性分析來考察建筑物的的抗震性能。

3 靜力彈塑性分析

3.1 大震作用下靜力彈塑性分析要點[1，2]

（1）建立合理的結(jié)構(gòu)計算模型、構(gòu)件的物理參數(shù)和恢復(fù)力模型等前期工作。構(gòu)件的物理參數(shù)和恢復(fù)力模型基本程序提供參考選項，計算時仔細(xì)加以閱讀并選擇。著重強調(diào)結(jié)構(gòu)計算模型的合理、真實性，一定要按彈性分析的結(jié)果真實反應(yīng)各抗側(cè)力構(gòu)件的情況，包括構(gòu)件不缺失，截面規(guī)格及配筋等。

（2）施加水平力。在結(jié)構(gòu)的兩個主軸方向分別施加單向水平力進(jìn)行靜力彈塑性分析，特殊情況下還需增加斜交方向工況。窯尾塔架相對規(guī)則，且多遇地震下分析結(jié)果顯示最大地震力方向接近Y方向，所以本例僅計算兩個主軸方向的工況。水平力模型取多遇地震下基底剪力與CQC振型組合方法彈性分析的結(jié)果進(jìn)行比較，兩者應(yīng)基本一致。

3.2 結(jié)果查看及分析

本例選用沿高度倒三角形荷載分布模式，經(jīng)分析后，得到多遇地震及罕遇地震情況下性能點結(jié)果及罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)塑性鉸結(jié)果

3.2.1 X向施加單向水平力工況結(jié)果

（1）多遇地震情況下性能點結(jié)果見圖2。與彈性分析對比，性能點基底剪力:2 730.8 kN，此值與CQC振型組合方法彈性分析基底剪力2759kN基本一致，最大層間位移角也基本一致，說明此加載方式可行。

圖2 多遇地震情況下性能點結(jié)果

（2）罕遇地震情況下性能點結(jié)果見圖3。PUSH推覆性能點基底剪力:13376.2kN；PUSH推覆剪力/設(shè)計剪力：3.7；基底剪力與在小震計算結(jié)果比值在常規(guī)的3～6倍區(qū)間。最大層間位移角1/150，滿足大震層間位移角限值1/50要求。

圖3 罕遇地震情況下性能點結(jié)果

（3）罕遇地震情況下塑性鉸結(jié)果見圖4。結(jié)果顯示，罕遇地震情況下各抗側(cè)力構(gòu)件塑性鉸性能狀態(tài)良好，滿足滿足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)下構(gòu)件性能要求。

圖4 罕遇地震情況下塑性鉸結(jié)果

3.2.2 Y向施加單向水平力驗算

（1）多遇地震情況下性能點結(jié)果見圖5。性能點基底剪力:2592.6kN，此值與CQC振型組合方法彈性分析基底剪力2530kN基本一致，最大層間位移角也基本一致，說明此加載方式可行。

圖5 多遇地震情況下性能點結(jié)果

（2）罕遇地震情況下性能點結(jié)果見圖6。PUSH推覆性能點基底剪力:11971kN；PUSH推覆剪力/設(shè)計剪力：3.31；基底剪力與在小震計算結(jié)果比值在常規(guī)的3～6倍區(qū)間。最大層間位移角1/109，滿足大震層間位移角限值1/50要求。

圖6 罕遇地震情況下性能點結(jié)果

（3）罕遇地震情況下塑性鉸結(jié)果見圖7。結(jié)果顯示，罕遇地震情況下僅個別梁端位置塑性鉸性能狀態(tài)為C級，其他各抗側(cè)力構(gòu)件性能狀態(tài)良好，滿足滿足“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求。

圖7 罕遇地震情況下塑性鉸結(jié)果

此時可返回彈性設(shè)計階段對相應(yīng)塑性性能較差的薄弱構(gòu)件加以調(diào)整，重新復(fù)核驗算。

4 結(jié)語

本算例針對工程的建筑特點，窯尾塔架結(jié)構(gòu)采用了鋼管混凝土框架-中心支撐結(jié)構(gòu)體系，通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震的反應(yīng)譜分析以及大震的彈塑性時程分析計算得出，此體系既能滿足建筑的使用功能，也能達(dá)到結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)的抗震性能目標(biāo)。

同時也驗證了鋼管混凝土框架-中心支撐結(jié)構(gòu)體系窯尾塔架的技術(shù)優(yōu)勢；本文的驗算流程及相關(guān)驗證、調(diào)整經(jīng)驗對后續(xù)項目設(shè)計提供了很好的指導(dǎo)意義。