基于動(dòng)力彈塑性分析方法的高層結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估

舒 林，譚繼可

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司成都分公司，四川 成都 610000 )

基于動(dòng)力彈塑性分析方法的高層結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估

舒 林1，譚繼可2

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司成都分公司，四川 成都 610000 )

利用Perform-3D軟件對(duì)某工程進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行抗震性能評(píng)估，結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”設(shè)防要求，并處于弱非線性狀態(tài)；剪力墻、桁架和框架柱均滿足預(yù)期性能目標(biāo)，滿足 “連梁和框架梁為第一道抗震防線”、“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)墻弱連梁”等相關(guān)抗震概念設(shè)計(jì)要求。

性能評(píng)估；動(dòng)力彈塑性分析；Perform-3D

我國(guó)現(xiàn)階段采用三水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)的抗震規(guī)范，即承載力+抗震措施的設(shè)計(jì)方法[1]。該方法以滿足規(guī)范限定條件的線彈性計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，設(shè)計(jì)人員只是從概念上進(jìn)行把握，并沒有對(duì)設(shè)防目標(biāo)具體量化，大多數(shù)的建筑結(jié)構(gòu)并沒有進(jìn)行罕遇地震下彈塑性驗(yàn)算，抗震設(shè)防目標(biāo)只是根據(jù)小震彈性計(jì)算結(jié)果的一種推測(cè)，通過相應(yīng)的抗震措施調(diào)整，假定結(jié)構(gòu)滿足大震不倒的設(shè)防目標(biāo)[2]。針對(duì)上述問題，采用動(dòng)力彈塑性分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評(píng)估，并驗(yàn)算罕遇地震下結(jié)構(gòu)薄弱部位是否滿足相應(yīng)的性能目標(biāo)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某工程位于湖北省武漢市，占地面積8 200 m2，總建筑面積45 000 m2，其中：地上建筑面積35 300 m2，地下建筑面積9 700 m2；建筑總高度49.9 m，地上9層，地下2層，其中地下一層為半地下室，如圖1、圖2所示。本工程為大跨度結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)為平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則，同時(shí)結(jié)構(gòu)采用了預(yù)應(yīng)力梁、轉(zhuǎn)換桁架、型鋼柱和鋼網(wǎng)架屋蓋等形式，為復(fù)雜公共建筑。結(jié)構(gòu)體系為框架-剪力墻，地震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為II類，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05 g[3]。

圖1 建筑立面效果圖 圖2 結(jié)構(gòu)模型

1.2 計(jì)算模型及性能目標(biāo)

混凝土采用Mander約束混凝土本構(gòu)模型；鋼材考慮材料的強(qiáng)化階段，采用雙折線本構(gòu)關(guān)系；梁柱單元采用集中塑性鉸模型；剪力墻單元采用纖維截面模型，采用線彈性節(jié)點(diǎn)域單元模擬節(jié)點(diǎn)域受力[4]。圖3為文獻(xiàn)[5]依據(jù)ASCE 41[6]規(guī)定構(gòu)件的可接受準(zhǔn)則確定的性能水準(zhǔn)和性能段，確定了不同構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)如表1所示。

圖3 性能點(diǎn)的可接受準(zhǔn)則[5]

構(gòu)件類型小震大震框架柱OP(性能階段①)LS(性能階段③)框架梁/連梁OP(性能階段①)CP(性能階段④)剪力墻OP(性能階段①)LS(性能階段③)其他桿件OP(性能階段①)CP(性能階段④)

1.3 地震波選取

罕遇地震分析采用兩組天然波(SGN1，SGN2)和1組人工波USER1，并補(bǔ)充一組多遇人工地震波USER2 ，罕遇地震波加速度峰值為125 gal。天然波取兩條，均為安評(píng)單位提供的場(chǎng)地實(shí)測(cè)地震波，實(shí)測(cè)波地震加速度峰值與規(guī)范要求有所不同，不能直接采用，應(yīng)對(duì)地震波進(jìn)行峰值處理，調(diào)整到規(guī)范值后再進(jìn)行時(shí)程分析，按式(1)進(jìn)行調(diào)整[7]。

(1)

2 動(dòng)力平衡方程

在Perform-3D軟件中，彈塑性時(shí)程分析采用CAA(Constant Average Acceleration)的逐步迭代方法求解動(dòng)力平衡方程，逐步迭代方法求解動(dòng)力方程中每個(gè)分析步中的時(shí)間步Δt是定值，在每個(gè)時(shí)間步中，荷載的增加是已知的[8]。

任一時(shí)刻結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡方程為：

(2)

經(jīng)過一個(gè)時(shí)間步Δt，動(dòng)力平衡方程為：

(3)

根據(jù)CAA方法的假定可得：

(4)

(5)

得到等效剛度和等效荷載：

(6)

(7)

解方程

KeffΔr=ΔReff

(8)

得：

(9)

(10)

3 地震反應(yīng)分析

動(dòng)力彈塑性分析是直接輸入地震波數(shù)據(jù)，求得結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形隨時(shí)間變化的方法，它能較真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)在時(shí)程地震波下的耗能狀況，從而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評(píng)估。本文根據(jù)規(guī)范要求，選取兩條天然波和1條人工波作為地震動(dòng)輸入數(shù)據(jù)，分析工程實(shí)例在罕遇地震作用下的內(nèi)力和變形結(jié)果，并對(duì)其進(jìn)行抗震性能評(píng)估。

3.1 層位移

從圖4、圖5可以看出，層位移最大值均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)，最大層位移SGN1和SGN2大致相同，而USER1與實(shí)測(cè)波結(jié)果偏離較大。

圖4 層位移(X方向) 圖5 層位移(Y方向)

3.2 層間位移角

從圖6、圖7看出，彈塑性層間位移角遠(yuǎn)小于1/100的規(guī)范要求，滿足“大震不倒”要求。

圖6 X方向?qū)娱g位移角 圖7 Y方向?qū)娱g位移角

4 構(gòu)件性能評(píng)估

4.1 剪力墻

為了得到在大震作用下墻體的開裂情況(以USER1為例)，利用Perform-3D軟件中的GAUGE組件對(duì)底部加強(qiáng)區(qū)(如圖8所示)的不利點(diǎn)位置剪力墻進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估，得到剪力墻的拉壓應(yīng)變時(shí)程曲線，如圖9所示。

圖8 觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)和位置 圖9 不同觀測(cè)點(diǎn)的墻體應(yīng)變時(shí)程曲線

從圖9可以看出，墻體最外側(cè)拉應(yīng)變?yōu)?.008 2，已超過了混凝土的抗拉應(yīng)變極限0.002，混凝土已開裂，鋼筋已屈服，但沒有達(dá)到鋼筋極限拉應(yīng)變0.01。墻體最大的壓應(yīng)變?yōu)?.000 63，遠(yuǎn)小于0.003 3的混凝土規(guī)范抗壓限值，混凝土沒有被壓碎，滿足預(yù)期的性能目標(biāo)。

4.2 轉(zhuǎn)換桁架

轉(zhuǎn)換桁架是結(jié)構(gòu)連接的薄弱環(huán)節(jié)，研究其抗震性能具有重要意義。本工程轉(zhuǎn)換桁架腹桿和上、下弦桿均采用型鋼，腹桿采用Q345B焊接H型鋼，型號(hào)H500×350×16×30。本文以USER1地震波為例，取桁架的斜桿支撐(腹桿)作為研究對(duì)象，查看其在地震作用下的內(nèi)力歷程曲線；轉(zhuǎn)換桁架在大震作用下，各構(gòu)件都有較大的軸力作用，按柱類構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算其P-M屈服面曲線，圖10、圖11分別為腹桿P-M2、P-M3相關(guān)線和腹桿內(nèi)力歷程曲線，其中軸力方向拉為正，壓為負(fù)。

圖10 腹桿P-M2相關(guān)曲線 圖11 腹桿P-M3相關(guān)線

從圖10、圖11可以看出，桁架腹桿在大震作用下內(nèi)力歷程曲線處于原設(shè)計(jì)P-M相關(guān)線包絡(luò)范圍內(nèi)，一直處于彈性狀態(tài)，滿足性能目標(biāo)。

4.3 柱

本文以USER1地震波為例，取底層角柱為研究對(duì)象，查看其地震作用下的內(nèi)力歷程曲線，得到了其P-M內(nèi)力歷程曲線，圖12、圖13分別為柱P-M2、P-M3相關(guān)線和腹桿內(nèi)力歷程曲線，其中軸力方向拉為正，壓為負(fù)。圖12顯示柱的內(nèi)力歷程均在原設(shè)計(jì)的P-M2相關(guān)曲線屈服面以內(nèi)，柱處于彈性階段，滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求；圖13顯示柱的內(nèi)力歷程稍微超出P-M3相關(guān)曲線屈服面，柱性能水準(zhǔn)達(dá)到IO，處于運(yùn)行控制階段，滿足設(shè)計(jì)性能目標(biāo)。

圖12 柱P-M2相關(guān)曲線 圖13 柱P-M3相關(guān)線

4.4 非線性耗能

圖14～圖17所示為大震地震波作用下不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件所占非線性耗能比例。結(jié)構(gòu)非線性耗能構(gòu)件主要有框架梁、剪力墻連梁和框架柱。以SGN1作用下結(jié)構(gòu)非線性耗能為例，其中連梁耗能占53%，框架梁占28%，剪力墻占17%，框架柱占2%，從比例中可以得出，連梁和框架梁為主要的耗能構(gòu)件，占總非線性能量耗散的81%，這也滿足規(guī)范中要求的“連梁和框架梁為第一道結(jié)構(gòu)防線”、“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)墻弱連梁”等相關(guān)抗震概念設(shè)計(jì)要求。圖17為USER2輸入下不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件所占非線性耗能比例，可知結(jié)構(gòu)彈塑性變形初期的非線性能量由連梁和框架梁耗散。

圖14 不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件所占非線性耗能比例USER1

圖15 不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件所占非線性耗能比例SGN1

圖16 不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件所占非線性耗能比例SGN2

圖17 不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件所占非線性耗能USER2

5 結(jié)論

選用一條人工波USER1和兩條實(shí)測(cè)波SGN1、SGN2，研究在罕遇地震作用下某實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，并對(duì)該實(shí)際工程進(jìn)行抗震性能評(píng)估，得出如下結(jié)論：

(1) 本工程彈塑性層間位移角小于規(guī)范要求，滿足“大震不倒”設(shè)防要求，并處于弱非線性狀態(tài)。

(2) 剪力墻、桁架和框架柱都比預(yù)期的性能目標(biāo)要好，滿足預(yù)期性能目標(biāo)。

(3) 從非線性耗能比例圖看出結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范中要求的“連梁和框架梁為第一道抗震防線”、“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)墻弱連梁”等相關(guān)抗震概念設(shè)計(jì)要求。

[1] 扶長(zhǎng)生.抗震工程學(xué)—理論與實(shí)踐[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版,2013.

[2] 譚繼可，俞盛，賈善坡.基于性能的抗震設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀[J].河南城建學(xué)院學(xué)報(bào),2016,25(1):20-26

[3] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011-2010[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010．

[4] 譚繼可，俞盛，舒林,等.Perform-3D在某高層結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估的應(yīng)用[J].河南城建學(xué)院學(xué)報(bào),2015, 24(5):11-15

[5] 扶長(zhǎng)生,張小勇，鞠進(jìn)，等.高層建筑合理性能目標(biāo)的選取和實(shí)現(xiàn)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011, 41(S1):1-8.

[6] American Society of Civil Engineers (ASCE), ASCE 41-06：Seismic Rehabilitation of Existing Buildings[S].Reston, VA, 2006.

[7] 李愛群,丁幼亮，高振世.工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

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

Dynamic elastic-plastic analysis method in structural seismic performance assessment for a high-rise building structure

SHU Lin1, TAN Ji-ke2

(1.SchoolofUrbanConstruction,YangtzeUniversity,Jingzhou434023,China;2.Central-SouthArchitecturalDesignInstituteCo.Ltd.,ChengduBranch,Chengdu610000China)

Dynamic elastic-plastic analysis of a project is made by using Perform-3D software, and seismic performance evaluation of structural members is evaluated as well. The results show that the structure meets the seismic fortification requirements, and being in the weakly nonlinear state. Its shear walls, truss and frame columns can meet the expected performance goals, which meets the other related requirements such as “coupling beam and frame beam as the first seismic line”, “strong column and weak beam” as well as “strong wall and weak beam”.

performance assessment; dynamic nonlinear analysis; Perform-3D

2016-05-03

舒 林(1966—)，男，湖北荊州人，碩士，高級(jí)工程師。

1674-7046(2017)01-0024-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.01.005

TU398

A