關(guān)于彈塑性分析一些問(wèn)題的總結(jié)

肖俊柯

（貴陽(yáng)市建筑設(shè)計(jì)院有限公司 貴州貴陽(yáng) 550001）

在建筑結(jié)構(gòu)越趨復(fù)雜，同時(shí)抗震設(shè)計(jì)分析理論及相應(yīng)設(shè)計(jì)軟件逐步完善的今天，彈塑性分析技術(shù)在基于性能的抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)用越來(lái)越多，從整個(gè)發(fā)展來(lái)看，一方面聚焦于分析方法本身的研究，另一方面則逐漸向基于彈塑性分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)渡。在第二個(gè)方面，重點(diǎn)涉及到彈塑性分析結(jié)果的應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用方面可能仍然存在一些誤區(qū)。本文主要想從概念上探討一下彈塑性分析內(nèi)力結(jié)果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中合理應(yīng)用的幾個(gè)問(wèn)題。

大震彈塑性分析結(jié)果內(nèi)力和變形應(yīng)更關(guān)注哪個(gè)指標(biāo)，其實(shí)關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，王亞勇大師在多個(gè)學(xué)術(shù)交流會(huì)曾明確表示，應(yīng)更多關(guān)注結(jié)構(gòu)件變形，內(nèi)力的結(jié)果僅做參考，意義不是很大，這主要基于兩個(gè)方面的考慮：①對(duì)于力和變形兩個(gè)響應(yīng)指標(biāo)，由于天然地震波的完全非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程特性，加上計(jì)算模型中材料和構(gòu)件本構(gòu)模型的選擇差異，后者往往表現(xiàn)的更為穩(wěn)定，而前者的離散性和隨機(jī)性要大得多；②目前規(guī)范中給出明確指標(biāo)限值是結(jié)構(gòu)的變形指標(biāo)，最重要的是層間位移角指標(biāo)，構(gòu)件層面有關(guān)于構(gòu)件損傷程度與變形指標(biāo)關(guān)系國(guó)內(nèi)規(guī)范可參考建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計(jì)規(guī)范，國(guó)外可參考美國(guó)的FEMA規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。

彈塑性分析的內(nèi)力能否直接用于構(gòu)件的配筋，答案也是否定的。由于天然地震波離散的特性，不同結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性也千差萬(wàn)別，對(duì)同一個(gè)結(jié)構(gòu)，輸入不同的地震波進(jìn)行時(shí)程分析會(huì)得出不同的結(jié)果，目前的彈塑性分析更多的作用是一種驗(yàn)算，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)在設(shè)定地震作用下的性能表現(xiàn)。在進(jìn)行彈塑性分析之前就需明確一個(gè)配筋，而對(duì)于按照既定配筋的彈塑性分析內(nèi)力結(jié)果再次配筋，從邏輯上講不通的，若分析結(jié)果不滿足變形或性能指標(biāo)，從而調(diào)整配筋再次進(jìn)行驗(yàn)算，則是另外一回事；再者，彈塑性分析得到的內(nèi)力，并不是一個(gè)確定的內(nèi)力，它除了受制于本身配筋影響，還和整體結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)后內(nèi)力重分布的情況相關(guān)，其它構(gòu)件配筋也可能影響這個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力。構(gòu)件本身剛度退化后，內(nèi)力水平與彈性分析的結(jié)果相比可能差別巨大，這個(gè)內(nèi)力應(yīng)該是成一種響應(yīng)結(jié)果，而并非承載力需求。這里須補(bǔ)充說(shuō)明一下，彈塑性分析內(nèi)力結(jié)果雖然不能用于某個(gè)構(gòu)件配筋，但對(duì)于其它相關(guān)關(guān)鍵構(gòu)件的設(shè)計(jì)是有用的，這是一個(gè)從整體看的問(wèn)題。由于關(guān)鍵構(gòu)件的性能目標(biāo)往往較高，一般設(shè)成大震下抗彎不屈服，抗剪彈性，要達(dá)到這一目標(biāo)，就必須確定其內(nèi)力需求。此時(shí)與之相連的非關(guān)鍵構(gòu)件可能已經(jīng)進(jìn)入屈服狀態(tài)，此時(shí)，這些屈服構(gòu)件與關(guān)鍵構(gòu)件之間的作用實(shí)際上為關(guān)鍵構(gòu)件的邊界內(nèi)力需求，可將這個(gè)內(nèi)力用于關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)截面和配筋是合理的。同理，包括例如基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，柱腳螺栓焊縫設(shè)計(jì)等，都可以使用上部結(jié)構(gòu)彈塑性分析的內(nèi)力結(jié)果。

那如何確定彈塑性分析下的選波及計(jì)算結(jié)果的可靠性？規(guī)范規(guī)定分析所采用的地震波平均反應(yīng)譜與振型分解反應(yīng)譜法所采用的反應(yīng)譜應(yīng)“在統(tǒng)計(jì)意義上相符”，在對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)主要周期點(diǎn)上與規(guī)范反應(yīng)譜相差不大于20%，這個(gè)選波要求只是一種參考，并非強(qiáng)制性的要求，因?yàn)橐?guī)范反應(yīng)譜是基于大量真實(shí)地震動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果生成，并進(jìn)過(guò)清除少量最大加速度尖峰，經(jīng)平滑處理得到的，考慮了場(chǎng)地、烈度、震中距等參數(shù)的影響，是比較有代表的，因此，規(guī)范反應(yīng)譜的構(gòu)建是選波的依據(jù)，但最終標(biāo)準(zhǔn)仍是規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)底部剪力。但如果所選擇的地震波在每個(gè)周期點(diǎn)都與反應(yīng)譜滿足較小的正負(fù)偏差，實(shí)際上除人工波外很難達(dá)到，當(dāng)然肯定更容易滿足總地震力的要求，同時(shí)也會(huì)失去地震輸入的多樣性，削弱了天然地震波的完全非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程特性，特別是缺少?gòu)?qiáng)烈變化的短周期成分，無(wú)法“激發(fā)”結(jié)構(gòu)的高階振型響應(yīng)，以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可能存在的薄弱環(huán)節(jié)。實(shí)際上，時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析的關(guān)系，實(shí)質(zhì)上是事物特殊性與一般性的關(guān)系，要兩方面都考慮到。對(duì)彈性時(shí)程分析底部剪力高規(guī)有明確的單條波及多條波平均值的要求，但對(duì)彈塑性分析卻無(wú)明確要求，現(xiàn)在更多控制大震彈塑性底部剪力與小震彈性底部剪力之比在3～5倍之間，但無(wú)任何依據(jù)，存在一定爭(zhēng)議，有超過(guò)此范圍的不在少數(shù)，畢竟同一個(gè)結(jié)構(gòu)，選波的離散性，選擇材料與構(gòu)件的本構(gòu)模型，甚至計(jì)算分析軟件的選擇，都對(duì)最終分析結(jié)果造成較大的影響，但總的來(lái)說(shuō)通過(guò)比較分析可以對(duì)在預(yù)期地震作用下的整體性能有所把握。當(dāng)然，規(guī)范建議適當(dāng)增加輸入的地震波數(shù)量，數(shù)量越多近似性越好。

另外關(guān)于地震波有效持續(xù)時(shí)間規(guī)范有最低限制，是5倍的結(jié)構(gòu)基本周期，且地震波計(jì)算起點(diǎn)與終點(diǎn)有效加速度值均不小于10%的有效峰值加速度，但還需要綜合考慮地震波的實(shí)際振動(dòng)情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常需要計(jì)算到結(jié)構(gòu)的響應(yīng)明顯衰減。比如對(duì)于超高層結(jié)構(gòu)，當(dāng)周期較長(zhǎng)時(shí)，長(zhǎng)如8s以上，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)最大響應(yīng)經(jīng)常會(huì)相對(duì)于地震波輸入峰值有較大滯后，而天然波的振幅本身衰減較快，這種情況下在滿足5倍有效持續(xù)時(shí)間前提下，需要確保結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)已經(jīng)出現(xiàn)并有明顯衰減，為了實(shí)現(xiàn)這一計(jì)算目的，有時(shí)需要增加有效計(jì)算時(shí)間，即在5倍有效持續(xù)時(shí)間之外有一定延長(zhǎng)，這對(duì)反映結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)是有意義的。

總之，彈塑性分析的變形指標(biāo)更適合直接評(píng)價(jià)與判斷，在基于性能的抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免對(duì)彈塑性分析內(nèi)力結(jié)果的不合理應(yīng)用。

[1]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[2]結(jié)構(gòu)時(shí)程分析輸入地震動(dòng)準(zhǔn)則和輸出結(jié)果解讀.建筑結(jié)構(gòu)，2017，47（11）：1～6.

[3]動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題.建筑結(jié)構(gòu)，2017，47（11）：1～10.