某高層建筑罕遇地震下的靜力彈塑性分析

胡立黎 易建文 駱貴波

(浙江杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司，浙江杭州 310003)

0 引言

罕遇地震是一種突發(fā)的、破壞性非常大，甚至具有毀滅性質(zhì)的自然災(zāi)害，無法進(jìn)行可靠預(yù)測(cè)，只能進(jìn)行積極的預(yù)防。通常，在罕遇地震作用下，房屋結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)入彈塑性受力狀態(tài)。因此，為保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，就需要對(duì)房屋結(jié)構(gòu)在彈塑性工作狀態(tài)下的性能進(jìn)行分析研究。目前，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中抗震設(shè)計(jì)主要是“小震設(shè)計(jì)”:保證多遇地震作用時(shí)在結(jié)構(gòu)不壞的前提下，通過調(diào)整構(gòu)件內(nèi)力和合理的構(gòu)造措施來保證罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)整體延性，達(dá)到“大震不倒”設(shè)防目標(biāo)?？墒?，汶川地震震害表明[2]，采用彈性地震反應(yīng)分析結(jié)果去保證“設(shè)防地震”或者“罕遇地震”作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，具有很大的經(jīng)驗(yàn)性，也無法完全保證結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)罕遇地震的設(shè)防目標(biāo)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)理論的不斷完善，使設(shè)計(jì)者對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下受力分析成為可能。當(dāng)前，主要采用靜力彈塑性分析方法和動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析方法驗(yàn)算罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

本文采用靜力彈塑性方法對(duì)某純鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑進(jìn)行罕遇地震作用分析。

1 靜力分析法

靜力分析法，也稱Push-over法，是國(guó)際上最早形成的抗震分析方法。中國(guó)、歐洲、日本和美國(guó)等國(guó)家都將其作為有效的抗震性能評(píng)價(jià)方法納入規(guī)范[3]。

其基本思路:

依據(jù)實(shí)際情況施加水平力于結(jié)構(gòu)，隨著水平力增加使各構(gòu)件依次進(jìn)入塑性。當(dāng)個(gè)別構(gòu)件進(jìn)入塑性階段后，整個(gè)結(jié)構(gòu)的特性也會(huì)相應(yīng)改變。此時(shí)，需要再次調(diào)整水平力的大小和分布，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)需要。如此，直到整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)預(yù)定的破壞現(xiàn)象(比如結(jié)構(gòu)成為機(jī)構(gòu)或者最大層間位移超過要求)。

水平力施加方法包括倒三角形分布、均勻分布、拋物線分布、冪級(jí)數(shù)分布、模態(tài)加載和自適應(yīng)側(cè)向荷載模式等[4-6]。倒三角形分布適用于以第一振型為主的結(jié)構(gòu)體系，并假定結(jié)構(gòu)各層加速度沿高度呈線性分布。荷載均勻分布，假定結(jié)構(gòu)各層側(cè)向力與該層質(zhì)量成正比，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)在地震作用下每層的加速度均相同。拋物線分布是水平力沿著高度成拋物線形狀加載方式，能夠較好地反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的高振型影響。

指數(shù)分布是:

指數(shù)k的取值為:

其中，T為結(jié)構(gòu)基本周期，它在一定程度上考慮了高振型的影響。自適應(yīng)側(cè)向荷載模式可采用振型分解譜平方和開平方(SRSS)計(jì)算結(jié)構(gòu)各層層間剪力的方法或者根據(jù)結(jié)構(gòu)側(cè)移或振型的變化調(diào)整結(jié)構(gòu)側(cè)向力分布。

2 模型概況

本工程地下1層，地上25層，裙房部分局部4層，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.6 m，總高度約95 m，總建筑面積約5.7萬m2?；驹O(shè)防烈度8度(0.17g)，地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為第二類。結(jié)構(gòu)體系采用如圖1所示，地下1層～第5層為矩形鋼管內(nèi)填混凝土柱，其他層為矩形鋼管柱。水平抗側(cè)力構(gòu)件為偏心支撐和中心支撐。在結(jié)構(gòu)端部存在斜柱，每層斜柱傾向角度不同以使結(jié)構(gòu)整體外形構(gòu)成圓形。

圖1 -1層～5層的結(jié)構(gòu)布置圖

塔樓的剖面如圖2，圖3所示。

圖2 6層以上標(biāo)準(zhǔn)層的結(jié)構(gòu)布置圖

采用PUSH＆EPDA軟件進(jìn)行Push-over分析，模型如圖4所示。分別對(duì)結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向進(jìn)行靜力彈塑性分析。在分析的過程中，采用彈性CQC加載方式，并且考慮結(jié)構(gòu)的P-Delta效應(yīng)。豎向荷載作用在桿間。鋼材采用雙折線的彈塑性本構(gòu)關(guān)系。梁、柱支撐等一維構(gòu)件采用纖維束模型來進(jìn)行模擬。判斷塑性鉸按程序內(nèi)置的鉸特性，鉸截面剛度破壞程度指數(shù)應(yīng)取為0.7(如圖4所示)。

圖3 塔樓的剖面圖

圖4 塔樓的三維分析模型

3 結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)

3.1 性能控制點(diǎn)確定

在罕遇地震作用下，地震參數(shù)為:水平地震影響系數(shù)最大值取0.77，基本設(shè)防烈度8度(0.17g)，地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為第二類，特征周期取0.35 s，阻尼比為0.05。X和Y方向的倒塌驗(yàn)算結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 罕遇地震作用下X方向結(jié)構(gòu)倒塌驗(yàn)算結(jié)果

圖6 罕遇地震作用下Y方向結(jié)構(gòu)倒塌驗(yàn)算結(jié)果

從圖5，圖6中可以得出:

罕遇地震作用下，X向和Y向性能曲線均能穿越地震需求曲線，結(jié)構(gòu)可以得到有效的性能點(diǎn)。結(jié)構(gòu)能力曲線較為平滑，Y方向的結(jié)構(gòu)性能曲線遠(yuǎn)高于需求曲線，說明Y方向抗震性能富余較多;X方向的結(jié)構(gòu)性能曲線略高于需求曲線，說明X方向抗震性能較弱，只是略有富余。

綜上所述，結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備較大，可以滿足“大震不倒”的抗震性能目標(biāo)要求。

結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角如表1所示。從表1中可以得到:罕遇地震作用下，X和Y方向均能滿足抗震規(guī)范要求，且位移角遠(yuǎn)小于抗震規(guī)范限值。說明結(jié)構(gòu)整體剛度較大，結(jié)構(gòu)地震作用下變形較小;滿足罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性變形要求，且變形余量較大。

表1 結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角

3.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性鉸

結(jié)構(gòu)X方向性能點(diǎn)出現(xiàn)在加載第21.6步，Y方向性能點(diǎn)出現(xiàn)在加載第24.8步。性能點(diǎn)處的塑性鉸分布如圖7，圖8所示。

圖7 罕遇地震作用下X向性能點(diǎn)處的塑性鉸分布

圖8 罕遇地震作用下Y向性能點(diǎn)處的塑性鉸分布

從圖7，圖8中可知:X方向上，首先耗能梁出現(xiàn)塑性鉸，然后與柱間支撐相連的框架梁相繼出現(xiàn)塑性鉸，最后個(gè)別支撐構(gòu)件也出現(xiàn)塑性鉸，但框架柱沒有出現(xiàn)塑性鉸。因此，耗能梁發(fā)揮了結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”的作用，率先耗散能量，隨后框架梁耗散地震能量。Y方向上，兩片支撐之間相連的框架梁率先出現(xiàn)塑性鉸，然后個(gè)別支撐出現(xiàn)塑性鉸。兩片支撐之間的框架梁相當(dāng)于剪力墻的連梁作用，承受地震作用較大，因此最先出現(xiàn)塑性鉸，開始耗散能量。綜上所述，由于框架柱在兩個(gè)方向上都未出現(xiàn)塑性鉸，滿足“強(qiáng)柱弱梁”的抗震性能目標(biāo)要求。

4 結(jié)語

采用靜力彈塑性方法，分析了在罕遇地震作用下，某高層酒店結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)性能。通過結(jié)構(gòu)表明:結(jié)構(gòu)整體剛度較大，結(jié)構(gòu)的性能曲線，彈塑性層間位移角等均能滿足要求，滿足“大震不倒”要求;通過分析塑性鉸出現(xiàn)順序，證明結(jié)構(gòu)滿足“強(qiáng)柱弱梁”的要求。

[1] GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 徐有鄰.汶川地震震害調(diào)查及對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全的反思[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[3] 蔡 健，周 靖，禹奇才.建筑抗震設(shè)計(jì)理論研究進(jìn)展[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，4(1):65-73.

[4] 胡立黎.水平地震作用下深梁填充鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2010:1-12.

[5] 徐龍軍，謝禮立，胡進(jìn)軍.抗震設(shè)計(jì)譜的發(fā)展及相關(guān)問題綜述[J].世界地震工程，2007，23(2):46-57.

[6] 楊 勁，蔣 凡，劉 豐.基于Push-over方法的站房結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2012，42(S2):145-148.

[7] 朱東烽.超限高層建筑罕遇地震下靜力彈塑性分析[J].城市建設(shè)理論研究，2012(3):92-94.