幾種地震反應(yīng)分析方法對(duì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估的比較

王凌飛,趙歆冬,孫文秀,王樂(lè)天

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,陜西 西安710055)

0 引 言

地震反應(yīng)分析,特別是非線性反應(yīng)分析,是在許多假定條件下進(jìn)行的。這些假定與框架-剪力墻這種有多道抗震防線的結(jié)構(gòu)可能有更大的出入。首先,對(duì)地震的估計(jì),由于地震的不確定性和復(fù)雜性,可能出現(xiàn)成倍的誤差。其次,對(duì)結(jié)構(gòu)承載力、動(dòng)力特性,特別是非線性評(píng)估,不準(zhǔn)確性也有可能使誤差達(dá)到5%左右,這些誤差當(dāng)然都是反映在地震反應(yīng)分析結(jié)果中的[1,2]。

然而,這并不能就此否定地震反應(yīng)分析的實(shí)用性和必要性。大量的事實(shí)表明,如果對(duì)鋼筋混凝土框架-剪力墻這樣的有良好抗震性能的結(jié)構(gòu)類型再做必要的抗震分析,找出其薄弱部位并設(shè)法加強(qiáng),則可使其抗震性能得到更大的優(yōu)化[3,4]。根據(jù)我國(guó)《抗震規(guī)范》關(guān)于高層建筑抗震算法的規(guī)定[5],本文通過(guò)對(duì)一工程實(shí)例的多方面分析及其結(jié)果的比較,得出就框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)各種方法的優(yōu)劣,并明確了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的受力和變形特征。

1 實(shí)際工程概況

該工程為一酒店,總建筑面積18 432 m2,總層數(shù)15層,地下1層,地上14層,總高度56.2 m,采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)呈平面矩形布置,在平面各角部利用樓、電梯間設(shè)置一定數(shù)量的剪力墻作為主要抗側(cè)力構(gòu)件。由于建筑功能的要求,5層以下樓板有嚴(yán)重的缺失,屬于樓板局部不連續(xù)。柱截面尺寸700 mm×700 mm。樓板為現(xiàn)澆混凝土板,地下室板厚180 mm,地上板厚100 mm。梁、板、柱、墻的混凝土強(qiáng)度等級(jí)4層以下C40,5～10層C35,11層以上C30。計(jì)算時(shí)采用材料強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值。抗震設(shè)防烈度7.5度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.15 g,設(shè)計(jì)地震分組一組,安全等級(jí)二級(jí)。

2 實(shí)際工程地震反應(yīng)分析

2.1 結(jié)構(gòu)彈性分析(多遇地震)

多遇地震作用下,周期比T3/T1=0.63,各層剪重比均滿足規(guī)范要求(2.4%),各層的位移比也滿足規(guī)范要求[5]。此時(shí)可以認(rèn)為,結(jié)構(gòu)在多遇地震動(dòng)作用下是安全、可靠的。地震作用下層間位移角見(jiàn)圖1。

2.2 彈塑性靜力計(jì)算(彈塑性靜力推覆分析方法EPSA)

采用靜力推覆分析方法—Push-Over Analysis對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性變形驗(yàn)算。分別用倒三角、均布兩種加載模式對(duì)三維結(jié)構(gòu)施加側(cè)向荷載[6～8]。經(jīng)驗(yàn)算后,在同一坐標(biāo)系中繪制結(jié)構(gòu)的需求曲線、周期—加速度曲線(能力曲線)、周期—最大層間位移曲線。分別見(jiàn)圖2、圖3。

圖1 地震作用下層間位移角

圖2 采用倒三角加載模式的推覆曲線

圖3 采用均布加載模式的推覆曲線

由以上計(jì)算結(jié)果可知,結(jié)構(gòu)在兩種側(cè)向荷載的作用下,能力曲線與需求曲線均有交點(diǎn),此時(shí)可認(rèn)為結(jié)構(gòu)的變形驗(yàn)算可以通過(guò),即結(jié)構(gòu)的最大彈塑性變形均滿足1/100的規(guī)范限制。由于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下,變形呈彎剪型,結(jié)構(gòu)的豎向剛度分布比較均勻,因此結(jié)構(gòu)下部變形要比上部變形略大,而均布加載模式強(qiáng)調(diào)的是地震對(duì)低層的影響,倒三角加載模式則強(qiáng)調(diào)的是地震對(duì)高層的影響,所以采用倒三角加載模式的需求層間位移角的值要比均布加載的小。

2.3 彈塑性動(dòng)力計(jì)算(彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析方法—EPDA)

采用彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性變形驗(yàn)算[9,10],在特征周期為0.45 s的地震波型庫(kù)中選取一人工波及兩條天然波(TH2TG045;Taft)進(jìn)行輸入,結(jié)構(gòu)采用三維空間模型及三向地震波進(jìn)行驗(yàn)算,地震波主分量峰值加速度取310 cm/s2,次分量峰值加速度與豎直分量峰值加速度分別取主分量峰值加速度的0.85倍及0.65倍(驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)圖4)。

圖4 主、次方向最大層間位移角曲線

2.4 結(jié)構(gòu)塑性絞分析

在推覆分析過(guò)程中,可以清楚地看到:結(jié)構(gòu)的塑性絞首先出現(xiàn)在中部框架梁的端部,隨著推覆分析的進(jìn)行,剪力墻底部和底層框架柱也開(kāi)始出現(xiàn)塑性絞(見(jiàn)圖5)。

圖5 倒三角加載模式下塑性絞分布圖

3 結(jié) 論

(1)從上面的分析可知,盡管彈性分析的結(jié)果與采用倒三角加載模式的推覆分析結(jié)果接近,但是它不能反映結(jié)構(gòu)塑性絞出現(xiàn)的位置及順序,這對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的評(píng)估有一定的局限性。而靜力彈塑性推覆分析(Push-Over)卻能比較明顯地反應(yīng)結(jié)構(gòu)塑性鉸出現(xiàn)的部位和順序,總的分析結(jié)果也與動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果吻合的較好。

(2)對(duì)于靜力彈塑性分析,從分析過(guò)程中塑性鉸出現(xiàn)的順序和位置來(lái)看,倒三角加載模式強(qiáng)調(diào)的是地震對(duì)高層的作用,而均布加載模式強(qiáng)調(diào)的是地震對(duì)低層的作用。從分析結(jié)果來(lái)看,均布加載模式下的分析結(jié)果與時(shí)程分析的結(jié)果比較接近。

(3)從程序運(yùn)行時(shí)間來(lái)看,彈性分析與Push-Over推覆分析的時(shí)間明顯地比動(dòng)力時(shí)程分析短。因此,作為一種簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)抗震分析方法,尤其是初步設(shè)計(jì)階段Push-Over方法是實(shí)用和可靠的。

(4)對(duì)這種有多道抗震防線的框架-剪力墻結(jié)構(gòu),建議首選均布加載模式的靜力彈塑性分析法來(lái)初步評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的抗震性能。

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