大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

蔣志成,李 晨

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230000)

1 工程概況

本文采用某綜合訓(xùn)練館的實(shí)體項(xiàng)目,位于安徽省合肥市。按照建筑功能要求,本工程采用大跨度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),一層層高是7.9米,二層層高是6.7米,三層層高是9.4米,柱網(wǎng)為橫向 8.7m和11.1m，縱向?yàn)?跨30m, 其中一樓和二樓的2跨30m框架均采用連續(xù)預(yù)應(yīng)力大梁,屋頂縱向?yàn)?0m大跨。此外,分析模型只采用了整個(gè)結(jié)構(gòu)的部分,且屋頂?shù)匿摼W(wǎng)架不納入建模,采用建立虛梁來完成屋頂面荷載的傳導(dǎo)和有限元中考慮對(duì)結(jié)構(gòu)整體效應(yīng)的影響。

該建筑所處的地區(qū)為7度抗震設(shè)防,設(shè)計(jì)基本加速度值為 0.15g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,二類場(chǎng)地土。特征周期為0.35s。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),設(shè)計(jì)使用年限為50年?；炷两Y(jié)構(gòu)的環(huán)境類別：地下部分環(huán)境類別為二類,地上部分為一a類。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí)。

在Midas Building進(jìn)行有限元分析,其中的梁和柱采用有限元軟件Midas中的梁?jiǎn)卧?預(yù)應(yīng)力梁采用的混凝土材料強(qiáng)度為C40,普通鋼筋砼梁和砼柱采用C30混凝土。樓板采用面單元模型,材料強(qiáng)度為C30的混凝土。預(yù)應(yīng)力筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為fptk=1860N/mm2,預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力σcon=0.75fptk=1395N/mm2。經(jīng)過計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失為張拉控制應(yīng)力的25%,那么有效預(yù)應(yīng)力值為1046MPa。因?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)中的實(shí)際地震荷載是在有恒載和活載施加后的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行布控的,所以在MIDAS/Building軟件中,勾選“使用初始荷載：1×DL(恒載)+0.5×LL(活載)”,所以本次動(dòng)力時(shí)程分析將選用此荷載設(shè)置作為其初始步的起始荷載。彈塑性模型規(guī)模為：節(jié)點(diǎn)數(shù)834,單元數(shù)：2243,梁鉸數(shù)315個(gè),柱鉸數(shù)117個(gè)。

圖1 整體模型圖

關(guān)于地震波的選取原則,在《抗規(guī)》(GB 50011—2010)中有很詳細(xì)地論述,該規(guī)范從頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間這三個(gè)方面做出了具體規(guī)定。本文動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)考慮到合肥歷史上未有強(qiáng)震記錄,并按照《抗規(guī)》中這三項(xiàng)要求,從Midas Building軟件自帶的地震波中選取了一條有代表性的地震波,即TH1TG040(1987,sfs-48-w)。

地震波加速度峰值取為220gal。地震波記錄的波形圖見2,該地震波的特征周期0.4秒,有效峰值加速度0.4136g(放大系數(shù)1.1659),持續(xù)時(shí)間37.84秒。考慮模型在靜力分析中,預(yù)應(yīng)力大梁全部沿Y向布置,X向和Y向剛度存在差異,故地震波采用單向X向加載和單向Y向加載相結(jié)合。

2 罕遇地震下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程反應(yīng)的結(jié)果

2.1 結(jié)構(gòu)的層間位移角

圖2 TH1TG040地震波

圖3 X向地震作用下的層間位移角

圖4 Y向地震作用下的層間位移角

根據(jù)上述圖 3和圖4,得出地震波作用下最大層間位移角：在所選X向地震波作用下,結(jié)構(gòu)的最大層間位移角分別為：0.0082；在所選Y向地震波作用下,結(jié)構(gòu)的最大層間位移角分別為：0.00725。且可以發(fā)現(xiàn),在兩個(gè)方向上都是頂層的層間位移角最大,這是因?yàn)轫攲拥膶痈呦啾绕渌麑虞^大而且層剪力值大。

由我國(guó)抗震規(guī)范(GB50011-2010),對(duì)罕遇地震作用下的層間位移角有限值要求,其中鋼筋砼結(jié)構(gòu)不得超過1/50。所以文中結(jié)構(gòu)在X和Y方向彈塑性層間位移角均滿足規(guī)范的規(guī)定。

2.2 結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線

從X、Y向地震作用下頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線圖中表明,結(jié)構(gòu)在X向地震 波作用下頂點(diǎn)位移最大為0.08m和-0.09m；在Y向地震下為0.08m和-0.10m。結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)頂點(diǎn)位移較大,主要是所選波前期振幅較大,到了中后期振幅不大,對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小。結(jié)構(gòu)在兩個(gè)地震下的最大頂點(diǎn)位移比較接近而且位移時(shí)程曲線和所選地震波的總體趨勢(shì)保持一致。

2.3 結(jié)構(gòu)在地震波作用下塑性發(fā)展?fàn)顩r

按照FEMA356規(guī)范規(guī)定,LS階段(Life Safety)梁允許的塑性轉(zhuǎn)角是0.02,柱LS階段允許的塑性轉(zhuǎn)角是0.01,柱IO階段(Immediately Occupancy)塑性轉(zhuǎn)角是0.003。通過地震作用下結(jié)構(gòu)的框架鉸變形圖可得,在X向地震下,本結(jié)構(gòu)的梁鉸的最大塑性轉(zhuǎn)角變形是0.00929；本結(jié)構(gòu)的柱鉸的最大塑性轉(zhuǎn)角變形是0.00858；在Y向地震下,本結(jié)構(gòu)的梁鉸的最大塑性轉(zhuǎn)角變形是0.00143；本結(jié)構(gòu)的柱鉸的最大塑性轉(zhuǎn)角變形是0.00104。也就是說在所選罕遇地震下,本結(jié)構(gòu)的梁在處于LS階段,以及柱在處于IO階段,都滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所設(shè)定的性能指標(biāo)。

由地震作用下結(jié)構(gòu)的框架鉸變形圖可以看出,在罕遇地震作用下,無論是X方向還是Y方向,結(jié)構(gòu)都沒有構(gòu)件進(jìn)入破壞階段。大部分框架柱保持完好,只處于第一階段即開裂未屈服,非預(yù)應(yīng)力梁絕大部分進(jìn)入了屈服階段,預(yù)應(yīng)力梁都未達(dá)到屈服,還處于彈性階段。由此可以看出,達(dá)到了強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過軟件的動(dòng)力彈塑性分析功能,對(duì)大跨預(yù)應(yīng)力訓(xùn)練館的模型進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析,文中動(dòng)力彈塑性最終計(jì)算結(jié)果可看出各指標(biāo)都小于規(guī)范中相應(yīng)的限值。該大跨預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)的非預(yù)應(yīng)力梁發(fā)生塑性變形,預(yù)應(yīng)力梁基本完好,符合“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)要求,且水平位移較大,具備一定的延性。