某超限高層框架結構靜力與動力彈塑性分析探討

摘要：以某超限高層框架結構為例，分別用EPDA&PUSH軟件和SAUSAGE軟件進行了靜力彈塑性和動力彈塑性分析，將得到的整體指標結果和構件損傷情況進行了對比分析，從構件損傷屈服耗能和能量的角度分析了該結構的彈塑性行為，分析表明兩種分析方法均能很好揭示其受力變形特點，本結構在罕遇地震下能滿足既定的抗震性能要求。

關鍵詞：框架結構;彈塑性分析;損傷屈服耗能

1 前言

《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）第3.11.4條條文說明“特別不規則結構，應采用彈塑性時程分析法”;第5.1.13條規定“B級高度的高層建筑結構和本規程第10章規定的復雜高層建筑結構，宜采用彈塑性靜力或動力分析方法驗算薄弱層彈塑性變形”。靜力彈塑性分析計算效率高，能快速反應結構的屈服耗能順序，但由于其不能反應結構的動力效應，且側向力分布模式的選取對計算結果影響較大;動力彈塑性分析能得到結構全過程的動態響應，包括構件的損傷屈服情況，累積耗能情況等，但其計算結果依賴地震波的選取，具有一定的離散隨機性，且計算耗時較長，兩種方法各有優劣，亦可相輔相成。結合某建筑高度53.55m，存在“扭轉不規則”，“樓板不連續”，和“局部不規則”3項不規則項的超限高層框架結構，分別進行動力彈塑性時程分析和靜力彈塑性分析，將兩者得到的結果進行了對比和研究，旨在了解結構進入塑性階段的程度以及結構整體在罕遇地震作用下的抗震性能，驗算結構構件的抗震水平，進而尋找結構薄弱環節并提出相應的加強措施。

2 模型建立

本結構計算模型如下圖1所示，模型荷載施加在樓板上，按100%恒載和50%活載導算結構的地震作用質量。對主要抗側力構件截面及配筋按照實際情況進行模擬，選取了7條地震波（編號分別為R1～R2、T1～T5）在SAUSAGE軟件中采用精細時間步長的顯式動力直接積分方法進行動力彈塑性分析，其中梁柱采用桿系纖維單元進行模擬;靜力彈塑性則采用EPDA&PUSH軟件，桿系單元兩端添加具備一定長度的集中塑性PMM鉸來反映材料的非線性行為，能充分考慮構件受到軸力和雙軸彎矩的耦合作用，塑性鉸各變形狀態劃分如下圖2所示，對可能出現的狀態主要劃分為以下4級：正常使用B（Operational）、可立即使用IO（Immediate Occupancy）、生命安全LS（Life Safety）、建筑物不倒塌CP（CollapsePre-vention）。B、IO、LS、CP、C均為性能點，其中B點開始出現塑性鉸點，C點為倒塌點，C點之后表明構件承載力開始下降，已嚴重損壞。

3 靜力彈塑性pushover分析計算結果

3.1 整體計算結果

3.2 構件損傷結果

這里主要以較不利的Y向計算結果進行探討，Y方向推覆過程中，發現2～8層首先出現梁塑性鉸，接著梁塑性鉸從B—IO階段發展到LS—C階段，底部框架柱隨后也出現損傷，但處于B—IO階段。到性能點處，大部分框架梁出現塑性鉸，部分框架梁和次梁達到C階段;框架柱出現塑性鉸，處于B—LS階段。

以下主要列出性能點處Y向損傷結果及性能點處構件性能。

4 動力彈塑性分析計算結果

4.1 整體計算結果

以上計算結果表明，所選七條地震波主方向底層地震剪力與多遇地震反應譜計算結果比值在3.4～6.2倍，基本在合理范圍之內。7條地震波結構最大層間位移角均小于1/63，滿足廣東省《高規》規定，在三向地震作用下，結構整體剛度的退化沒有導致結構倒塌，滿足“大震不倒”的設防要求。

4.2 構件性能分析

各組地震波作用下構件的損傷順序比較接近，以R2波較不利方向（90°主方向）為例，分析了結構構件的損傷情況，以下列出了部分構件的具體性能分析如圖7～圖10所示，其中3層柱截面收進位置承載力突變，為薄弱位置，3層柱截面縱筋配筋率提升至2%，體積配箍率提升至1.5%，采用芯柱過渡措施，罕遇地震下3層框架柱出現中度損傷，如下圖8所示。圖11給出了R2波結構累積能量時程曲線，通對該地震波各時刻各構件的損傷情況發現，第2.4s時刻，框架梁發生輕度損壞屈服，并開始延伸，累積能量曲線中的阻尼耗能開始顯現，說明此時結構開始進入屈服耗能階段;第6.0s時刻，框架梁出現中度損傷;底部框架柱出現輕微至輕度損傷，能量曲線中的阻尼耗能部分逐步增加，結構應變能也呈增加趨勢，說明此時結構通過抗力的增加和屈服變形共同承擔地震輸入的能量;第7.6s時刻，底部框架柱出現中度損傷，大部分框架梁出現中度損傷，但此刻以后能量曲線中應變能部分保持平穩低幅波動，而阻尼耗能部分依然呈不斷增加態勢，說明此時大部分地震輸入的能量大部分被結構的屈服變形和材料自身阻尼所耗散，而結構內部的抗力基本保持平穩，這也是結構設計之初的意圖，有意識地引導結構進入屈服狀態來抵抗地震動;時程結束，首層、二層框架柱大部分出現輕微到輕度損傷，各層框架梁大部分出現輕微到中度損傷。

5 結論

從以上靜力彈塑性和動力彈塑性的分析結果可以看出，兩種方法均能很好地揭示結構在罕遇地震下的受力變形與屈服耗能特點，反映出來的彈塑性行為基本吻合，即首先是結構的梁構件進入屈服耗能，對降低豎向構件的損傷起到重要作用，隨著大部分梁構件都處于屈服狀態后，此時底層框架柱出現輕微至中度損傷，才開始進入屈服耗能階段，通過結構的屈服變形來耗散大部分地震的輸入的能量，符合規范規定的抗震設計時，滿足強柱弱梁以及將塑性鉸區域控制在結構底部的抗震概念，同時也說明結構在罕遇地震下能滿足既定的抗震性能要求。

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作者簡介：彭子祥（1993—），男，廣東廣州人，研究方向：結構抗震減振優化。

（作者單位：廣東省建筑設計研究院高等建筑結構分析與咨詢中心）