某超限高層框架結(jié)構(gòu)靜力與動力彈塑性分析探討

摘要：以某超限高層框架結(jié)構(gòu)為例，分別用EPDA&PUSH軟件和SAUSAGE軟件進行了靜力彈塑性和動力彈塑性分析，將得到的整體指標結(jié)果和構(gòu)件損傷情況進行了對比分析，從構(gòu)件損傷屈服耗能和能量的角度分析了該結(jié)構(gòu)的彈塑性行為，分析表明兩種分析方法均能很好揭示其受力變形特點，本結(jié)構(gòu)在罕遇地震下能滿足既定的抗震性能要求。

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu);彈塑性分析;損傷屈服耗能

1 前言

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第3.11.4條條文說明“特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用彈塑性時程分析法”;第5.1.13條規(guī)定“B級高度的高層建筑結(jié)構(gòu)和本規(guī)程第10章規(guī)定的復雜高層建筑結(jié)構(gòu)，宜采用彈塑性靜力或動力分析方法驗算薄弱層彈塑性變形”。靜力彈塑性分析計算效率高，能快速反應(yīng)結(jié)構(gòu)的屈服耗能順序，但由于其不能反應(yīng)結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng)，且側(cè)向力分布模式的選取對計算結(jié)果影響較大;動力彈塑性分析能得到結(jié)構(gòu)全過程的動態(tài)響應(yīng)，包括構(gòu)件的損傷屈服情況，累積耗能情況等，但其計算結(jié)果依賴地震波的選取，具有一定的離散隨機性，且計算耗時較長，兩種方法各有優(yōu)劣，亦可相輔相成。結(jié)合某建筑高度53.55m，存在“扭轉(zhuǎn)不規(guī)則”，“樓板不連續(xù)”，和“局部不規(guī)則”3項不規(guī)則項的超限高層框架結(jié)構(gòu)，分別進行動力彈塑性時程分析和靜力彈塑性分析，將兩者得到的結(jié)果進行了對比和研究，旨在了解結(jié)構(gòu)進入塑性階段的程度以及結(jié)構(gòu)整體在罕遇地震作用下的抗震性能，驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震水平，進而尋找結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)并提出相應(yīng)的加強措施。

2 模型建立

本結(jié)構(gòu)計算模型如下圖1所示，模型荷載施加在樓板上，按100%恒載和50%活載導算結(jié)構(gòu)的地震作用質(zhì)量。對主要抗側(cè)力構(gòu)件截面及配筋按照實際情況進行模擬，選取了7條地震波（編號分別為R1～R2、T1～T5）在SAUSAGE軟件中采用精細時間步長的顯式動力直接積分方法進行動力彈塑性分析，其中梁柱采用桿系纖維單元進行模擬;靜力彈塑性則采用EPDA&PUSH軟件，桿系單元兩端添加具備一定長度的集中塑性PMM鉸來反映材料的非線性行為，能充分考慮構(gòu)件受到軸力和雙軸彎矩的耦合作用，塑性鉸各變形狀態(tài)劃分如下圖2所示，對可能出現(xiàn)的狀態(tài)主要劃分為以下4級：正常使用B（Operational）、可立即使用IO（Immediate Occupancy）、生命安全LS（Life Safety）、建筑物不倒塌CP（CollapsePre-vention）。B、IO、LS、CP、C均為性能點，其中B點開始出現(xiàn)塑性鉸點，C點為倒塌點，C點之后表明構(gòu)件承載力開始下降，已嚴重損壞。

3 靜力彈塑性pushover分析計算結(jié)果

3.1 整體計算結(jié)果

3.2 構(gòu)件損傷結(jié)果

這里主要以較不利的Y向計算結(jié)果進行探討，Y方向推覆過程中，發(fā)現(xiàn)2～8層首先出現(xiàn)梁塑性鉸，接著梁塑性鉸從B—IO階段發(fā)展到LS—C階段，底部框架柱隨后也出現(xiàn)損傷，但處于B—IO階段。到性能點處，大部分框架梁出現(xiàn)塑性鉸，部分框架梁和次梁達到C階段;框架柱出現(xiàn)塑性鉸，處于B—LS階段。

以下主要列出性能點處Y向損傷結(jié)果及性能點處構(gòu)件性能。

4 動力彈塑性分析計算結(jié)果

4.1 整體計算結(jié)果

以上計算結(jié)果表明，所選七條地震波主方向底層地震剪力與多遇地震反應(yīng)譜計算結(jié)果比值在3.4～6.2倍，基本在合理范圍之內(nèi)。7條地震波結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于1/63，滿足廣東省《高規(guī)》規(guī)定，在三向地震作用下，結(jié)構(gòu)整體剛度的退化沒有導致結(jié)構(gòu)倒塌，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。

4.2 構(gòu)件性能分析

各組地震波作用下構(gòu)件的損傷順序比較接近，以R2波較不利方向（90°主方向）為例，分析了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷情況，以下列出了部分構(gòu)件的具體性能分析如圖7～圖10所示，其中3層柱截面收進位置承載力突變，為薄弱位置，3層柱截面縱筋配筋率提升至2%，體積配箍率提升至1.5%，采用芯柱過渡措施，罕遇地震下3層框架柱出現(xiàn)中度損傷，如下圖8所示。圖11給出了R2波結(jié)構(gòu)累積能量時程曲線，通對該地震波各時刻各構(gòu)件的損傷情況發(fā)現(xiàn)，第2.4s時刻，框架梁發(fā)生輕度損壞屈服，并開始延伸，累積能量曲線中的阻尼耗能開始顯現(xiàn)，說明此時結(jié)構(gòu)開始進入屈服耗能階段;第6.0s時刻，框架梁出現(xiàn)中度損傷;底部框架柱出現(xiàn)輕微至輕度損傷，能量曲線中的阻尼耗能部分逐步增加，結(jié)構(gòu)應(yīng)變能也呈增加趨勢，說明此時結(jié)構(gòu)通過抗力的增加和屈服變形共同承擔地震輸入的能量;第7.6s時刻，底部框架柱出現(xiàn)中度損傷，大部分框架梁出現(xiàn)中度損傷，但此刻以后能量曲線中應(yīng)變能部分保持平穩(wěn)低幅波動，而阻尼耗能部分依然呈不斷增加態(tài)勢，說明此時大部分地震輸入的能量大部分被結(jié)構(gòu)的屈服變形和材料自身阻尼所耗散，而結(jié)構(gòu)內(nèi)部的抗力基本保持平穩(wěn)，這也是結(jié)構(gòu)設(shè)計之初的意圖，有意識地引導結(jié)構(gòu)進入屈服狀態(tài)來抵抗地震動;時程結(jié)束，首層、二層框架柱大部分出現(xiàn)輕微到輕度損傷，各層框架梁大部分出現(xiàn)輕微到中度損傷。

5 結(jié)論

從以上靜力彈塑性和動力彈塑性的分析結(jié)果可以看出，兩種方法均能很好地揭示結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的受力變形與屈服耗能特點，反映出來的彈塑性行為基本吻合，即首先是結(jié)構(gòu)的梁構(gòu)件進入屈服耗能，對降低豎向構(gòu)件的損傷起到重要作用，隨著大部分梁構(gòu)件都處于屈服狀態(tài)后，此時底層框架柱出現(xiàn)輕微至中度損傷，才開始進入屈服耗能階段，通過結(jié)構(gòu)的屈服變形來耗散大部分地震的輸入的能量，符合規(guī)范規(guī)定的抗震設(shè)計時，滿足強柱弱梁以及將塑性鉸區(qū)域控制在結(jié)構(gòu)底部的抗震概念，同時也說明結(jié)構(gòu)在罕遇地震下能滿足既定的抗震性能要求。

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作者簡介：彭子祥（1993—），男，廣東廣州人，研究方向：結(jié)構(gòu)抗震減振優(yōu)化。

（作者單位：廣東省建筑設(shè)計研究院高等建筑結(jié)構(gòu)分析與咨詢中心）