談結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)變形能力的關(guān)系

【摘要】Pushover分析法是靜力非線性分析方法，它能夠?qū)㈧o力彈塑性和反應(yīng)譜相結(jié)合進(jìn)行圖解和快速計(jì)算，因此在高程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析中廣泛應(yīng)用。本文筆者將結(jié)合具體的高層結(jié)構(gòu)計(jì)算實(shí)例，應(yīng)用Pushover分析法對(duì)該高層結(jié)構(gòu)在地震作用下的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析，希望能對(duì)類似工程起到借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】高層結(jié)構(gòu)；Pushover分析；地震作用

隨著我國(guó)高層建筑的不斷發(fā)展，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮到結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論有很多，其中廣泛應(yīng)用的一種為基于結(jié)構(gòu)變形的抗震設(shè)計(jì)。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)地震荷載作用下結(jié)構(gòu)位移計(jì)算，可以得到結(jié)構(gòu)的具體變形情況，從而為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也可以以此為依據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化。本文筆者將結(jié)合具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程實(shí)例，在對(duì)結(jié)果進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用軟件對(duì)結(jié)果的變形情況進(jìn)行Pushover分析，從而了解到結(jié)構(gòu)在地震作用下結(jié)構(gòu)變形能力。

1.工程概況

本工程為廣東省某一高層建筑，一共有29層，每層的高度為3m，結(jié)構(gòu)形式為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，本工程抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，多遇地震水平地震影響系數(shù)最大值為0.16，特征周期為0.35秒。本結(jié)構(gòu)豎向剛度有2次突變，分別位于10層和20層，隨著高度的增加，結(jié)構(gòu)層間側(cè)向剛度逐漸變小。從1層到10層，層間剛度最大，而從11層到29層，層間剛度逐層逐漸減小。

2.抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)

2.1剪力墻的布置

（1）剪力墻的布置應(yīng)沿著結(jié)構(gòu)的縱、橫兩個(gè)方向，同時(shí)盡量做到分散、均勻、對(duì)稱。如果在平面上布置剪力墻時(shí)難以做到對(duì)稱，可以對(duì)剪力墻的長(zhǎng)度和厚度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度中心和質(zhì)量中心盡量接著，這樣可以有效的減少地震荷載作用下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)反應(yīng)。當(dāng)在對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度中心進(jìn)行確定時(shí)，還應(yīng)充分考慮磚填充墻之類的剛性隔墻和圍護(hù)墻對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的應(yīng)用。

（2）在結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向，均應(yīng)沿著兩條以上的軸線布置剪力墻，同時(shí)相鄰剪力墻之間的間距應(yīng)控制在一定的范圍之內(nèi)，不宜過(guò)小。當(dāng)在有條件的情況下，應(yīng)沿著整個(gè)結(jié)構(gòu)的周邊布置剪力墻，這樣可以有效的提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

（3）在樓蓋水平剛度出現(xiàn)急劇變化的地方，應(yīng)布置剪力墻，同時(shí)在較大洞口的兩側(cè)也應(yīng)布置剪力墻。

（4）在結(jié)構(gòu)凸出部位的端頭宜設(shè)置剪力墻。

（5）剪力墻在布置時(shí)，應(yīng)避免出現(xiàn)剛度突變的問(wèn)題，沿著結(jié)構(gòu)的豎向均應(yīng)布置。

（6）整個(gè)結(jié)構(gòu)從上到下布置剪力墻時(shí)，應(yīng)逐漸減少剪力墻的厚度，此外，混凝土強(qiáng)度等級(jí)出現(xiàn)變化的樓層應(yīng)與墻厚出現(xiàn)變化的樓層錯(cuò)開(kāi)。

（7）當(dāng)在墻面需要進(jìn)行大開(kāi)洞的位置，應(yīng)盡量避免設(shè)置剪力墻。

（8）當(dāng)在結(jié)構(gòu)各層的剪力墻上開(kāi)設(shè)洞口時(shí)，上下洞口應(yīng)對(duì)其，同時(shí)洞口的面積占整個(gè)墻面面積的比例不得超過(guò)1/6，洞口的梁高應(yīng)控制在層高的1/5以上。

（9）當(dāng)進(jìn)行縱向剪力墻的布置時(shí)，應(yīng)盡量避免集中布置在結(jié)構(gòu)的兩盡端。

2.2剪力墻的數(shù)量

剪力墻數(shù)量的多少，直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟(jì)以及合理性。因此在進(jìn)行剪力墻的布置時(shí)，其數(shù)量應(yīng)滿足以下的要求。

（1）為了能夠充分發(fā)揮框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，底部的剪力墻所承擔(dān)的地震彎矩值應(yīng)控制在總地震彎矩值的50%以上。

（2）沿結(jié)構(gòu)單元的兩個(gè)主軸方向，多遇地震作用下按彈性方法計(jì)算的樓層層間最大位移與層高之比應(yīng)不大于1/800，罕遇地震作用下按彈塑性方法計(jì)算的樓層層間最大位移與層高之比應(yīng)不大于1/100。

（3）在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的計(jì)算時(shí)，在重力荷載效應(yīng)和地震荷載效應(yīng)的共同組合的情況下，剪力墻受壓區(qū)的邊柱如果按照受壓狀態(tài)進(jìn)行配筋，其所得的鋼筋量應(yīng)比按受拉狀態(tài)進(jìn)行配筋所得鋼筋量大，因此剪力墻邊框柱的配筋不是由拉力控制的。通常情況下，剪力墻的數(shù)量越多，結(jié)構(gòu)的抗震性能就越高，但是當(dāng)剪力墻的數(shù)量過(guò)大時(shí)，反而是浪費(fèi)的，不夠經(jīng)濟(jì)。同時(shí)剪力墻數(shù)量越多，結(jié)構(gòu)的剛度則越大，周期越短，地震對(duì)其的作用則要加大，這不僅會(huì)造成上部結(jié)構(gòu)材料的增加，同時(shí)還會(huì)給基礎(chǔ)設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。此外，在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于水平剪力有最低限值的規(guī)定，即使所設(shè)置的剪力墻在多，框架的消耗材料也不會(huì)減少。因此當(dāng)從結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性的角度進(jìn)行共同分析，應(yīng)對(duì)剪力墻布置較為合理的數(shù)量。

2.3構(gòu)造要求

（1）剪力墻的厚度應(yīng)同時(shí)滿足不小于160mm和不小于層高的1/20的要求。在底部加強(qiáng)部分的剪力墻厚度應(yīng)同時(shí)滿足小于160mm和不小于層高的1/16的要求。

（2）當(dāng)在剪力墻的橫向和豎向進(jìn)行配筋時(shí)，其配筋率應(yīng)控制在0.25%以上，同時(shí)應(yīng)至少設(shè)置雙排鋼筋，并且在各排分布筋之間應(yīng)設(shè)置拉筋，拉筋的間距應(yīng)控制在600mm以內(nèi)，直接應(yīng)控制在6mm以上。

3.地震作用下結(jié)構(gòu)變形Pushover分析

對(duì)本結(jié)構(gòu)采取上述所提到的抗震設(shè)計(jì)措施后，采用SAP2000對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。在分析工況的設(shè)置中，控制荷載的施加方向選為y方向，模態(tài)加載采用側(cè)向加載的方式。在加載的過(guò)程中，隨著y方向所施加的荷載的不斷增大，在結(jié)構(gòu)的基底處，剪力隨之不斷增大，同時(shí)在結(jié)構(gòu)的頂部，位移也逐級(jí)增大，而且在結(jié)構(gòu)中的某些構(gòu)件受力超過(guò)屈服強(qiáng)度，從而開(kāi)始進(jìn)入屈服階段。當(dāng)進(jìn)入屈服階段之后，結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生塑性鉸，這會(huì)引起本層側(cè)向剛度的變化，從而整個(gè)結(jié)構(gòu)的橫向剛度在塑性鉸的產(chǎn)生中出現(xiàn)一定的變化。上述整體結(jié)構(gòu)的反應(yīng)變化以加載達(dá)到控制荷載或結(jié)構(gòu)倒塌失效為結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)倒塌失效時(shí)頂部位移應(yīng)達(dá)到要求值。本結(jié)構(gòu)采用Pushover分析法對(duì)該高層結(jié)構(gòu)在地震作用下的行為反應(yīng)進(jìn)行分析一共進(jìn)行了7步。

本結(jié)構(gòu)的Pushover分析，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，SAP2000分析軟件得出了7步模擬結(jié)構(gòu)失效，通過(guò)計(jì)算分析得到了在加載的變化下結(jié)構(gòu)的基底總剪力和頂部位移的變化，如圖1所示。

從分析表明，隨著結(jié)構(gòu)基底總剪力的增大，結(jié)構(gòu)的頂部位移隨之不斷增大，但是在曲線的最后，位移出現(xiàn)了折回的現(xiàn)象，這表明在最后結(jié)構(gòu)發(fā)生了失效的現(xiàn)象，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析到失效處即停止。在結(jié)構(gòu)中，IO，LS和CP三個(gè)值代表著鉸的能力水平，IO對(duì)應(yīng)著直接使用，LS對(duì)應(yīng)著生命安全，CP對(duì)應(yīng)著防止倒塌。當(dāng)達(dá)到C時(shí)，代表塑性鉸開(kāi)始失去承載力。C-D狀態(tài)代表著塑性鉸已經(jīng)開(kāi)始失去部分承載力，如表2中所示，當(dāng)?shù)竭_(dá)工況6時(shí)，已經(jīng)有8個(gè)塑性鉸處于C-D狀態(tài)，有相當(dāng)部分的承載力已經(jīng)失去。D-E狀態(tài)代表著塑性鉸已經(jīng)失去了大部分的承載力，從表2中可以看到，當(dāng)?shù)竭_(dá)工況7時(shí)，已經(jīng)有42個(gè)塑性鉸處于D-E狀態(tài)，失去了大部分的承載力，基本已經(jīng)快達(dá)到完全失效的界限。結(jié)合結(jié)構(gòu)的基底總剪力和頂部位移的變化關(guān)系反向來(lái)看，當(dāng)達(dá)到第7工況時(shí)，結(jié)構(gòu)已經(jīng)失效了。

4.結(jié)語(yǔ)

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐表明，要有效地進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，必須基于結(jié)構(gòu)變形基礎(chǔ)上而綜合考慮，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，應(yīng)該分析地震荷載作用下結(jié)構(gòu)位移變化，結(jié)合結(jié)構(gòu)變形情況，來(lái)為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供有效依據(jù)，從而使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施更加合理可靠。

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