某工程在罕遇地震作用下動力彈塑性分析

摘要 隨著我國經濟突飛猛進城市中超高層以及復雜高層建筑越來越多，結構性能化設計得到了廣泛應用，性能化設計中一種重要分析方法就是動力彈塑性分析方法。某工程采用部分框支剪力墻結構，對該工程進行大震作用下動力彈塑性分析，闡述了結構在大震作用下屈服及破壞機制，對結構的薄弱部位進行分析，并驗證了結構在大震作用下的抗震性能。

關鍵詞 動力彈塑性；破壞機制；性能化設計

中圖分類號 TU352.11 文獻標志碼 A

1工程概況及結構布置

1.1工程概況

重慶軌道五號線北延伸段獅子山停車場工程4區3#樓為部分框支剪力墻結構。結構總高78.5m，裙房2層頂面標高15.4m，裙房層高2層，塔樓層高22層。由于首層為列車停車場，部分豎向受力構件需進行轉換，根據建筑功能要求及結構受力特點，采用框支剪力墻結構體系，轉換層設置在第二層，本工程結構計算嵌固端設置在基礎頂面。

1.2結構使用年限、安全等級及抗震設防標準

本工程結構設計按規范相關要求保證結構具有足夠的耐久性，結構的設計使用年限為50年。結構的安全等級為二級，結構重要性系數γ=1.0［1］。基礎設計等級為甲級。

本工程場地地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35s；本工程場地設計地震分組為第一組，抗震設防烈度為6度。根據勘察資料，建筑場地類別為Ⅱ類，擬建工程抗震設防類別為丙類（表1、表2）。

1.3主要構件截面

主要構件截面見表3。

1.4結構主受力體系

本工程無地下室，3#高層建筑高度最高約78.35m，2層裙房，裙房總高度15.4m。嵌固端設置在基礎頂面。經過結構整體傾覆驗算。該結構不存在零應力區。

該工程首層為列車停車場，2層為商業停車場，3～22層為住宅部分，其中，住宅部分豎向受力構件需進行轉換，轉換層設置在第二層。地震以及及風荷載產生的側向力主要由框架柱（包含框支柱）以及剪力墻承擔，各主要受力分體系簡述：

（1）豎向承載體系：帶轉換結體系。

（2）抗側力體系：3～22層塔樓抗側剛度由剪力墻提供，結構底部2層抗側剛度主要由框架柱（含框支柱）以及剪力墻提供。

（3）水平承載體系：采用普通現澆鋼筋混凝土梁板體系。

（4）本工程裙樓和塔樓均采用普通鋼筋混凝土梁板式樓蓋系統。

1.5結構計算嵌固端

本工程結構計算嵌固端設置在基礎頂面。

1.6結構平面及整體剖面

3#樓高層住宅為部分框支剪力墻結構。結構平剖面布置詳圖1～圖4。

2彈塑性分析

2.1主彈塑性分析概述

3#高層住宅主體結構高度最大為78.35m＜120m，該結構為部分框支剪力墻結構，工程地址位于重慶獅子山，屬于6度區，本工程為A級高度鋼筋砼高層建筑，并且屬于復雜結構，根據JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》（以下簡稱《高規》）第5.1.13條規定［2］。需要對復雜高層建筑進行彈塑性分析，本文中，采用PKPM-SAUSAGE軟件對結構進行建模，進行大震作用下的動力彈塑性分析，發現結構在大震作用下屈服及破壞機制，對結構的薄弱部位進行分析，驗證結構在大震作用下的抗震性能滿足規范要求。

2.2彈塑性分析的目的

（1）根據規范規定，需要對復雜高層建筑在振型分解反應譜法的基礎上進行彈塑性分析，綜合比較兩者結構后進行設計，達到結構安全、經濟合理的效果。

（2）動力彈塑性分析可以考慮荷載的往復作用以及結構的動力特性。發現結構在大震過程中塑性鉸的形成機制，找出結構在大震作用下的薄弱構件并對其進行加強，指導設計人員進行性能化設計，最終使結構滿足大震作用下的性能目標［4］。

（3）能夠對已有的重要建筑物做出正確的抗震消能評價，從而從理論上知道現有結構的抗震加固工作。

2.3構件性能目標

結構構件性能目標應根據地震動參數、構件部位以及作用綜合確定，并滿足《高規》表3.11.2的性能狀況，根據構件在地震作用下不同作用，可以將所有構件分為3類，即耗能構件、普通豎向構件以及關鍵構件［4］。底部兩層剪力墻及框支框架抗震性能目標定為C級，其余構件抗震性能目標定為D級。選取3條地震波（2條天然波，1條人工波）進行動力彈塑性分析，并根據分析結果對薄弱構件采取加強措施見表4、表5。

2.4材料模型及單元類型

PKPM-SAUSAGE軟件是一個三維有限元空間彈塑性分析程序。鋼材的動力硬化模型采用雙線性隨動硬化模型，不考慮剛度退化。鋼材的強屈比為1.25，極限應力所對應的極限塑性應變為0.025。凝土本構關系選用彈塑性受壓損傷模型，。框架梁、柱采用梁單元模擬，剪力墻、連梁和樓板采用分層殼模型。

2.53#高層住宅大震動力計算模型

在Sausage軟件對結構建模分析如圖4所示。

（1）地震波選擇。

根據《高規》要求［2］，選擇3條地震波，根據規范選擇1條人工波，2條天然波：①人工波1（1號地震波）；②天然波1（2號地震波）；③天然波2（3號地震波）。

（2）3條地震波水平主方向分量有效持續時間如表6所示。

（3）條地震波加速度-時間曲線如圖5所示。

（4）各組地震波的平均加速度反應譜與規范反應譜的對比如圖6所示。

（5）模型各個構件配筋率輸入如表7所示。

2.6基底剪力及層間位移角

分別計算結構在3條地震波作用下基底剪力及位移，X向及Y向的計算結果如表8所示。由表可知

基底剪力：各模型罕遇地震動力彈塑性分析基底剪力與多遇地震CQC基底剪力的比值位于3.82～6.3倍之間，平均值X方向為5.12倍，Y方向為4.63倍，基本處于3～6之間，滿足要求。

層間位移角：根據模型計算結果，結構在罕遇地震作用下彈塑性分析的最大層間位移角為1/300，滿足規范限值（1/120），轉換層最大層間位移角為1/433，滿足規范限值（1/120）［2］。

2.7結構損傷情況總結

對結構結構分別在3條地震波作用下進行動力彈塑性分析動力，根據其損傷分布結果，各地震波作用下結果的損傷結果差異不大，以2號天然波為例對結構損傷情況進行分析，圖7～圖12反映出各個構件在2號地震波作用下出現的損傷情況。

2.8構件性能統計

構件性能見表9。

綜合構件損傷情況，分析結果表明：

（1）框架梁：小部分無損壞，大部分處于輕微損壞狀態，極少部分輕度及中度損壞，有效的起到耗能的作用；達到罕遇地震作用下性能水準5的要求。

（2）框支柱：部分處于輕微損壞狀態，達到罕遇地震作用下性能水準4的要求。

（3）裙樓柱：部分處于輕微損壞及輕度損壞狀態，達到罕遇地震作用下性能水準5的要求。

（4）樓板：轉換層樓板處于無損壞及輕微損壞，達到罕遇地震作用下性能水準5的要求；其余樓板絕大部分無損壞，小部分輕微損壞，達到罕遇地震作用下性能水準5的要求。

（5）墻梁即用殼元模擬的轉換梁，部分無損壞，超過一半處于輕微損壞情況，極少部分輕度及中度損壞，部分連梁嚴重損壞，達到罕遇地震作用下性能水準4的要求。

3結論

通過罕遇地震（大震）作用下的結構分析，可以得出結論：

（1）大震作用下彈塑性動力時程分析結果表明：本工程3#高層住宅X、Y向樓層的最大層間位移角均小于規范剪力墻結構的的限值1／120。滿足《高規》中表3.11.3中性能目標D（框支框架及底部2層剪力墻為性能目標C）關于罕遇地震作用下彈塑性變形要求［2］。

（2）在大震作用下彈塑性動力時程分析結果表明：框支框架及相關裙樓柱基本完好，關鍵構件僅出現輕微損傷、局部輕度損傷；轉換層以上豎向構件有不同程度的損傷，局部出現輕度和中度損傷。轉換層樓板僅出現輕微損傷，其余樓板基本處于無損傷或者輕微損傷。此結果表明：在大震作用下，本工程各塔樓的各個構件在大震下均滿足預定的性能水準，且轉換層以下結構不先于轉換層以上結構破壞。在大震作用下，結構整體抗震性能與預期塑性化過程吻合。

綜上所述，本工程結構整體抗震性能良好，與預期塑性化過程吻合；本工程框支框架及底部兩層剪力墻能夠達到預定大大震性能目標4，其余構件能夠達到預定的大震性能目標5。

參考文獻

［1］中國建筑科學研究院.建筑結構可靠性設計統一標準：GB50068-2018［S］.北京：中國建筑工業出版社，2018.

［2］中國建筑科學研究院.高層建筑混凝土結構技術規程：JGJ3—2010［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［3］中國建筑科學研究院.建筑設計抗震規范：GB50011-2010（2016年版）［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［4］朱振，吳居洋.廣州地鐵某車輛段上蓋塔樓結構設計［J］.廣東建材，2021（11）：35-40.

［5］胡濤，周曉光，盧文汀，等.深圳招商環貿中心T3塔樓結構設計［J］.建筑技術開發.2021（1）：3-5.