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      PUSHOVER分析在框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

      2012-12-13 06:00:16張松鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司天津300142
      天津科技 2012年1期
      關(guān)鍵詞:彈塑性靜力框架結(jié)構(gòu)

      張松 (鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 天津300142)

      PUSHOVER分析在框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

      張松 (鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 天津300142)

      闡述靜力彈塑性分析的基本原理,并結(jié)合我國最新的抗震規(guī)范對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析計(jì)算,結(jié)果表明靜力彈塑性方法是在罕遇地震作用下對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析的有效方法。

      靜力彈塑性 框架結(jié)構(gòu) 罕遇地震 性能點(diǎn)

      1 PUSHOVER分析的基本原理

      靜力彈塑性分析方法(即PHSHOVER分析)是基于性能抗震設(shè)計(jì)的一種方法。它是結(jié)構(gòu)分析模型在一個(gè)沿結(jié)構(gòu)高度為某種規(guī)定分布形式且逐漸增加側(cè)向力或側(cè)向位移的作用下,直至結(jié)構(gòu)模型控制點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)位移或結(jié)構(gòu)傾覆為止的過程。靜力彈塑性分析可以用于計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下薄弱部位的彈塑性變形計(jì)算。該方法基于如下兩個(gè)基本假定:①多自由度體系結(jié)構(gòu)的反應(yīng)與該結(jié)構(gòu)的等效單自由度體系的反應(yīng)相關(guān),因此該方法主要適用于由第一振型控制的結(jié)構(gòu);②在側(cè)向加載的每個(gè)步驟內(nèi),結(jié)構(gòu)沿高度的變形形狀保持不變。靜力彈塑性分析主要包括兩個(gè)內(nèi)容:一是建立結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線,并將其轉(zhuǎn)化為能力譜曲線;二是采用特定的方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震能力的評估。目前,我國普遍采用能力譜法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震評估。

      能力譜法是美國ATC40采用的方法,也是日本新的建筑基準(zhǔn)法采用的方法。其基本思想是建立兩條相同基準(zhǔn)的譜線:一條是由荷載-位移曲線轉(zhuǎn)化為能力譜曲線;另一條是由加速度反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化為需求譜曲線。把兩條曲線放在同一個(gè)坐標(biāo)系中,兩條曲線的交點(diǎn)稱為“結(jié)構(gòu)抗震性能點(diǎn)”,性能點(diǎn)所對應(yīng)的位移就是相應(yīng)水平地震作用下的位移,并同容許值比較,來判斷是否滿足抗震要求。

      1.1 能力譜的轉(zhuǎn)換

      取荷載-位移曲線上任意一點(diǎn)Vi、dTi,轉(zhuǎn)為能力譜的相應(yīng)的點(diǎn) Sai、Sdi:

      式中γ1為第一振型參與系數(shù);

      α1為第一振型等效質(zhì)量系數(shù)。

      1.2 需求譜轉(zhuǎn)換

      由規(guī)范的加速度反應(yīng)譜(Sa-T譜)轉(zhuǎn)換為ADRS譜(縱坐標(biāo)為譜加速度Sa,橫坐標(biāo)為譜位移Sd),便得到需求譜,即:

      2 工程實(shí)例及分析模型

      某鐵路工程信號樓平面布置為矩形,如圖1所示。結(jié)構(gòu)開間方向總長度為72.6 m,進(jìn)深方向總寬度14.4 m,局部21.0 m。建筑面積5 100 m2。結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),首層5.4 m,其余層高4.5 m,4層。主要柱網(wǎng)尺寸為7.2 m×6.6 m。工程所在場地抗震設(shè)防烈度為7°(0.10 g,第二組),場地類別為Ⅱ類。框架柱截面尺寸550 mm×550 mm,主要框架梁截面尺寸250 mm×600 mm,300 mm×700 mm。

      本工程靜力彈塑性分析采用國際上通用的大型商業(yè)有限元軟件sap2000。塑性鉸的本構(gòu)模型采用FEMA-365默認(rèn)的混凝土梁鉸(M鉸和V鉸)和柱鉸(P-M-M鉸)。對塑性鉸的每個(gè)自由度,定義一個(gè)用來給出屈服值和屈服后塑性變形的力-位移曲線,這通過一個(gè)有5個(gè)控制點(diǎn)A-B-C-D-E的曲線來實(shí)現(xiàn),如圖2所示。點(diǎn)B代表鉸的屈服,當(dāng)鉸到達(dá)C點(diǎn)時(shí),開始失去承載力。點(diǎn)IO、LS和CP代表鉸的能力水平,分別對應(yīng)“直接使用”、“生命安全”和“防止倒塌”。

      3 PUSHOVER計(jì)算分析及結(jié)果

      3.1 彈性反應(yīng)譜計(jì)算

      表1 側(cè)向位移及層間位移角

      在進(jìn)行靜力彈塑性分析之前,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析設(shè)計(jì),得到梁、柱等的配筋??蚣苤呐浣盥蚀蠹s為2%,框架梁的配筋率大約為1.5%,Y向最大層間位移角為1/780,小于1/550,滿足規(guī)范要求。多遇地震下結(jié)構(gòu)的Y向位移及層間位移角如表1所示。

      3.2 PUSHOVER分析參數(shù)

      PUSHOVER初始分析工況采用1.0恒載+0.5活載,考慮P-△效應(yīng),采用荷載控制;橫向荷載工況采用第一模態(tài)加載模式,考慮P-△效應(yīng),采用位移控制。

      本工程進(jìn)行兩種地震烈度下的計(jì)算,即多遇地震和罕遇地震,根據(jù)我國現(xiàn)行的地震反應(yīng)譜與ATC40反應(yīng)譜的對比,可確定系數(shù)CA和CV。

      7 度多遇地震:CA=0.032,CV=0.032

      7 度罕遇地震:CA=0.2,CV=0.2

      3.3 多遇地震計(jì)算結(jié)果

      經(jīng)過靜力彈塑性分析,在多遇地震時(shí),需求譜曲線和能力譜曲線如圖3所示。Y向性能點(diǎn)為Sa=0.024,Sd=0.011,經(jīng)過上述公式轉(zhuǎn)換,得到底部剪力Vb=846.193 kN,頂點(diǎn)位移u=0.017 mm,在達(dá)到上述狀態(tài)時(shí),結(jié)構(gòu)中沒有產(chǎn)生塑性鉸,計(jì)算結(jié)果與彈性反應(yīng)譜分析時(shí)接近。表明側(cè)向加載模式的選擇是合理的。

      3.4 罕遇地震計(jì)算結(jié)果

      經(jīng)過靜力彈塑性分析,結(jié)構(gòu)按照一定的順序產(chǎn)生了不同程度的塑性鉸,如圖4所示。從塑性鉸分布圖可以看出,混凝土框架柱出現(xiàn)屈服,但鉸處于<IO的狀態(tài),屬于輕微損壞;混凝土框架梁出現(xiàn)屈服,但大部分鉸處于<IO的狀態(tài),屬于輕微損壞,個(gè)別鉸處于<LS的狀態(tài),屬于中等損壞。

      在罕遇地震時(shí),需求譜曲線和能力譜曲線如圖5所示。Y向性能點(diǎn)為Sa=0.104,Sd=0.062,經(jīng)過上述公式轉(zhuǎn)換,得到底部剪力Vb=3 142.174 kN,頂點(diǎn)位移u=105 mm。

      層間位移角計(jì)算結(jié)果如圖6所示,最大層間位移角為1/123,小于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的彈塑性層間位移角限值的1/50,所以該結(jié)構(gòu)在Y方向上滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防要求。

      4 結(jié)論及建議

      本文闡述了靜力彈塑性分析的基本原理,并結(jié)合我國最新的抗震規(guī)范對一個(gè)4層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震分析,結(jié)果表明靜力彈塑性分析不僅能夠?qū)Χ嘤龅卣鹣聫椥苑磻?yīng)譜的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)校核,而且能夠?qū)庇龅卣鹣陆Y(jié)構(gòu)的彈塑性行為進(jìn)行較為精確的分析描述,對今后類似工程的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義?!?/p>

      [1]北京金土木軟件技術(shù)有限公司.SA P2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社,2006.

      [2]李國勝.高層混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)、難點(diǎn)及實(shí)例[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

      [3]北京金土木軟件技術(shù)有限公司.Pushover分析在建筑工程抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

      [4]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].G B50011-2010.

      2012-01-05

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