靜力彈塑性分析方法及位移法的工程應(yīng)用

胡 玉 海

(大連市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116021)

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

靜力彈塑性分析方法及位移法的工程應(yīng)用

胡 玉 海

(大連市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116021)

介紹了靜力彈塑性分析及位移法的實(shí)施步驟，并通過某超限工程實(shí)例，采用MIDAS/GEN計(jì)算軟件，對(duì)其進(jìn)行了罕遇地震下靜力彈塑性的計(jì)算和結(jié)果分析，得到一些結(jié)論，供設(shè)計(jì)人員參考。

靜力彈塑性，MIDAS/GEN，位移法，塑性鉸

0 引言

我國(guó)現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范以我國(guó)目前現(xiàn)有科技水平和經(jīng)濟(jì)能力為前提,提出了“小震不壞,中震可修,大震不倒”三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)。對(duì)于一般規(guī)則結(jié)構(gòu)是以小震的彈性分析進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，在遭遇大震時(shí)通過概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施來滿足大震不倒要求。近年來基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法已在很多復(fù)雜工程中得以應(yīng)用，用靜力彈塑性分析方法，可以分析構(gòu)件在罕遇地震工況下進(jìn)入彈塑性狀態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

1 靜力彈塑性分析及位移法的實(shí)施步驟

1)建立結(jié)構(gòu)彈塑性分析模型：分析模型在已滿足小震彈性分析現(xiàn)行規(guī)范要求和結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足承載力和正常使用要求條件，完成混凝土構(gòu)件的配筋。2)施加豎向荷載：豎向荷載可以是初始的重力荷載代表值或是施工模擬分析中的初始豎向荷載。3)施加水平荷載并求出能力曲線譜：每一步加載時(shí)，在水平荷載(罕遇地震荷載)和結(jié)構(gòu)自重等豎向力共同作用下，計(jì)算所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力以及彈性和彈塑性變形，進(jìn)而可以求出結(jié)構(gòu)位移—加速度能力曲線譜。 4)求出性能點(diǎn)：需求譜分為彈性需求譜和彈塑性需求譜。彈性需求譜根據(jù)地震的影響系數(shù)曲線求得。彈塑性結(jié)構(gòu)的需求譜求法一般是在彈性需求譜的基礎(chǔ)上，通過等效阻尼方法求得的彈塑性需求譜。

βeff=κβ0+5。

其中，βeff為等效阻尼；κ為不同結(jié)構(gòu)反應(yīng)類型折減系數(shù)：TypeA：κ=1；TypeB：κ=2/3；TypeC：κ=1/3；β0為等效粘滯阻尼。

MIDAS/GEN中關(guān)于結(jié)構(gòu)反應(yīng)類型規(guī)定如表1所示。

表1 MIDAS/GEN中結(jié)構(gòu)反應(yīng)類型規(guī)定表

將能力譜曲線和某一水準(zhǔn)地震的需求譜畫在同一坐標(biāo)中，兩曲線交點(diǎn)稱為性能點(diǎn)，其圖示詳見文獻(xiàn)[2]。通過性能點(diǎn)可以求出結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)位移、層間位移、底部剪力、等效周期及等效阻尼等指標(biāo)，以此判斷結(jié)構(gòu)是否滿足該水準(zhǔn)的抗震要求。

2 靜力彈塑性方法中的位移法在MIDAS/GEN中的工程實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

本實(shí)例工程總建筑面積20.74萬(wàn)m2，地上建筑面積15.24萬(wàn)m2。地上建筑包括4層裙房及兩棟超高層塔樓。北塔樓地上總層數(shù)為36層，標(biāo)準(zhǔn)層高3.6 m，主體高度147.70 m。南塔樓地上總層數(shù)為44層，標(biāo)準(zhǔn)層高4.1 m，主體高度195.6 m。

實(shí)例工程抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。水平地震影響系數(shù)αmax=0.10(小震作用下)。設(shè)計(jì)特征周期為0.37 s,阻尼比為0.04，Ⅱ類場(chǎng)地土。本文以南塔樓為計(jì)算實(shí)例，對(duì)其在大震作用下利用MIDAS程序中的位移法進(jìn)行了pushover分析。

2.2 結(jié)構(gòu)體系概況

南塔樓采用鋼框架—混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系，框架部分采用矩形方鋼管混凝土柱和鋼梁結(jié)構(gòu)，并結(jié)合避難層在19層和34層設(shè)置V形伸臂桁架，豎向構(gòu)件尺寸見表2。

表2 豎向構(gòu)件尺寸表

2.3 pushover分析步驟及實(shí)例工程參數(shù)定義

1)分析步驟。a.建立結(jié)構(gòu)模型并對(duì)其進(jìn)行彈性靜力分析和構(gòu)件設(shè)計(jì)。b.定義pushover分析的最大迭代計(jì)算步驟數(shù)、各步驟內(nèi)迭代計(jì)算次數(shù)和收斂條件。c.定義pushover荷載工況、目標(biāo)位移控制條件：荷載工況可選擇靜力荷載工況、等加速度及振型荷載工況，且各荷載類型可以進(jìn)行組合。d.定義塑性鉸特性及分配塑性鉸特性值：MIDAS/GEN中提供多折線和FEMA兩種類型的塑性鉸特性，用戶也可以自定義鉸特性。e.運(yùn)行pushover分析及結(jié)果查看。

2)實(shí)例工程參數(shù)定義。參數(shù)定義不同對(duì)pushover結(jié)果有本質(zhì)的不同，特此將本工程所采用的參數(shù)做以下重點(diǎn)說明，以供其他工程參考。a.塑性鉸特性。本實(shí)例工程塑性鉸特性采用FEMA鉸，F(xiàn)EMA塑性鉸特性如圖1所示，點(diǎn)B為出現(xiàn)塑性鉸點(diǎn)，點(diǎn)C為倒塌點(diǎn)。其性能狀態(tài)分為三個(gè)階段：IO為直接居住極限狀態(tài)，LS為安全極限狀態(tài)，CP為防止倒塌極限狀態(tài)。此三個(gè)階段可用于評(píng)價(jià)構(gòu)件塑性鉸狀態(tài)。實(shí)例工程中梁?jiǎn)卧捎脧澗劂q，柱單元和剪力墻單元采用軸力和彎曲耦連的PMM鉸，伸臂桁架中的桁架單元采用軸力鉸。b.加載模式選擇。MIDAS/GEN提供靜力加載、加速度常量、模態(tài)三種加載模式。進(jìn)行pushover分析時(shí)，側(cè)向加載模式的選擇是否正確對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估至關(guān)重要。本實(shí)例工程質(zhì)量和剛度分布由上至下比較均勻，高度較高，采用倒三角形側(cè)向力分布模式可以滿足工程抗震性能評(píng)估要求。c.目標(biāo)位移確定。初始的目標(biāo)位移一般可假定結(jié)構(gòu)總高度的1%，2%，4%，一般相當(dāng)于最大層間位移角。目標(biāo)位移取值因工程特點(diǎn)不同而不同，且應(yīng)進(jìn)行反復(fù)試算。本工程經(jīng)反復(fù)試算確定目標(biāo)位移為1 500 mm。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

因篇幅所限，實(shí)例工程pushover分析僅給出X向計(jì)算結(jié)果。推覆的能力曲線、層間位移角及性能點(diǎn)的pushover曲線分別見圖2,圖3。罕遇地震時(shí)性能點(diǎn)的頂點(diǎn)位移為0.878 m，基底剪力為46 420 kN，最大層間位移角為1/201,出現(xiàn)在第26層，滿足抗震規(guī)范1/100的彈塑性層間位移角限制，等效阻尼為8.604，等效周期為5.908 s。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)有明顯的屈服平臺(tái)，且存在性能點(diǎn)，性能點(diǎn)時(shí)塑性鉸僅個(gè)別出現(xiàn)在底部剪力墻部位和19層和34層的伸臂桁架及框架梁處，在塑性鉸特性曲線B點(diǎn)至IO點(diǎn)出現(xiàn)的比例僅為0.1%，出現(xiàn)倒塌的比例僅為0.4%。說明結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震能力。綜上所述，該結(jié)構(gòu)是滿足抗震規(guī)范要求的。

3 結(jié)語(yǔ)

文中介紹了靜力彈塑性分析方法的原理和位移法的實(shí)施步驟，并通過某一超高層混合結(jié)構(gòu)工程實(shí)例具體介紹了靜力彈塑性分析方法在MIDAS/GEN中的實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明靜力彈塑性分析方法可以對(duì)結(jié)構(gòu)在罕遇地震下可能會(huì)出現(xiàn)的薄弱部位及各部位塑性鉸的狀態(tài)進(jìn)行量化。MIDAS/GEN軟件相對(duì)于ETABS和SAP2000增加了剪力墻塑性鉸的模擬，為靜力彈塑性分析提供了方便。本文所得一些體會(huì)，難免有片面性和局限性，如有不當(dāng)之處還請(qǐng)指正。

[1] 徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005.

[2] 北京金土木軟件公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社,2006.

[3] MIDAS/GEN Structural Engineering System[Z].

Engineering application of static elastic-plastic analysis method and displacement method

Hu Yuhai

(DalianBuildingDesignAcademyCo.,Ltd,Dalian116021,China)

The paper introduces the implementation procedures of static elastic-plastic analysis method and displacement method. Through the out-of-code building engineering example, applying MIDAS/GEN computation software, it carries out static elastic-plastic computation and results analysis under rare earthquake, and obtains some conclusions, which will provide some guidance for designers.

static elastic-plastic, MIDAS/GEN, displacement method, plastic hinge

1009-6825(2016)24-0029-02

2016-06-19

胡玉海(1976- )，男，高級(jí)工程師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師

TU313

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