混凝土框架結構施工技術在住宅建筑的抗震分析

黃 敏

（四川建筑職業(yè)技術學院,四川 德陽 618000）

0 引言

地殼板塊的運動平移會導致地震的產(chǎn)生,地震發(fā)生時會造成住宅建筑地層的應急力全部集中在一起,當?shù)孛婕械娜磕芰砍^了地層所能承受的力時,能量在住宅建筑地面就會沿著能量少的一面突然釋放,這時就會發(fā)生地震災害。地震造成的災害一般情況下分為直接災害和間接災害[1]。地震產(chǎn)生的直接災害會造成住宅建筑坍塌、地表破壞以及地面出現(xiàn)裂縫等損害；地震產(chǎn)生的間接災害會發(fā)生泥石流、火災、海嘯等。

混凝土框架結構受到地震破壞的原因有很多,施工過程中要考慮住宅建筑特殊空間的實際需求,會有一部分住宅建筑在結構布置方面欠缺,就會導致其穩(wěn)定性受到相應破壞,住宅建筑的結構和外觀受損[2]；然而在實際施工中,有很多住宅建筑框架結構的梁、柱設計不合理,住宅建筑框架梁的實際力學性能要高于柱的力學性能,導致地震發(fā)生時框架柱先發(fā)生破壞,增加了人員逃生和救援難度；在住宅建筑中,圍護結構是住宅建筑空間分割的主要部件,與混凝土框架一起構成住宅建筑[3]。在住宅建筑的抗震分析中,一般不會分析圍護結構的力學性能。

針對以上分析,要通過提高住宅建筑的抗震性能,保護住宅建筑中人員和財產(chǎn)。目前混凝土框架結構施工技術是住宅建筑抗震分析的主要技術,將混凝土框架結構施工技術應用到住宅建筑的抗震分析中,可以提高住宅建筑的抗震性能,具有極強的現(xiàn)實意義。

1 基于混凝土框架結構施工技術的住宅建筑抗震分析方法設計

1.1 選取抗震性能分析目標

在住宅建筑的抗震分析之前,要先選取合適的抗震性能分析目標,才能達到良好的抗震效果,提高住宅建筑抗震分析的振型剛度。住宅建筑的抗震性能分析目標是指在預期的地震作用下,采用混凝土框架結構施工技術將住宅建筑結構的破壞狀態(tài)限制在一個目標水平內(nèi),較高的抗震分析性能目標可以提高住宅建筑的抗震性能,在抵御大型地震災害時,可以使住宅建筑更加安全可靠,同時也會提高住宅建筑的工程造價；較低的抗震性能分析目標,即使會降低住宅建筑前期的工程建設成本,但是住宅建筑在遭遇大型地震威脅時,會增加住宅建筑倒塌的風險,最后會投入更多的維修維護資金[4]。

目前投資-效益準則在抗震性能分析目標的選取中是比較常見的,抗震性能分析目標選取的合理性,可以保證住宅建筑在遭受不同強度的地震作用時,破壞程度在限定的范圍內(nèi),以此來降低成本?？拐鹦阅芊治瞿繕诉x擇的合理性可以用住宅建筑工程項目的經(jīng)濟效益多少來衡量,要做到經(jīng)濟效益的最大化[5]。

住宅建筑的抗震性能分析目標的選取步驟如下:

步驟1:確定住宅建筑工程施工開始時的最低造價與抗震性能目標之間的關系。為了實現(xiàn)同一個抗震性能分析目標,需要采用混凝土框架結構施工技術搭建住宅建筑結構方案,不同的方案產(chǎn)生的工程造價是不同的,因此住宅建筑開始時的工程造價與抗震性能目標的函數(shù)關系是很難建立的[6]。但是經(jīng)過比較分析,可以在所有住宅建筑結構方案中,選擇出造價最低的住宅建筑結構方案,完成最低造價與住宅建筑結構抗震性能分析目標的函數(shù)關系的建立,這種函數(shù)關系的建立便于優(yōu)化抗震性能分析目標的選擇。

步驟2:確定住宅建筑結構在不同強度地震的作用下,住宅建筑結構性能目標之間的合理關系。在住宅建筑工程造價一定的前提下,優(yōu)化不同震強條件下的住宅建筑抗震性能分析目標之間的比例關系。在住宅建筑結構的抗震性能分析方法設計中,應該充分考慮等級地震可能造成的經(jīng)濟損失,來合理化的進行住宅建筑的結構設計和構造措施設置。

步驟3:確定抗震性能分析目標。在前兩步的基礎上,選擇抗震性能分析目標[7]。為住宅建筑結構的抗震分析提供分析基礎,使住宅建筑的抗震分析在經(jīng)濟性和安全性上達到合理的平衡點。

以上通過采用混凝土框架結構施工技術將住宅建筑的破壞狀態(tài)限制在一個目標水平內(nèi),確定了住宅建筑的抗震性能分析目標,完成抗震性能分析目標的選取,接下來通過構建Pushover分析模型,來為住宅建筑的抗震分析做鋪墊。

1.2構建Pushover分析模型

Pushover分析模型可以接收住宅建筑的振型剛度信息和剪力值信息,不僅確保了分析的準確性,還提高了住宅建筑抗震分析的振型剛度。Pushover分析模型在本質(zhì)上是一種靜力非線性分析模型,是指住宅建筑結構在一個沿高度方向位移作用下,增加到模型傾覆的過程[8]。Pushover分析模型的計算結果通常上是比較直觀穩(wěn)定的,且具有較短的求解時間。在實際計算過程中,如果選取較小的取值步長,得到的計算結果就會更加精確。Pushover分析模型可以為住宅建筑的抗震分析提供一套分析方法。

通過建模分析得到的載荷—位移曲線。首先對住宅建筑結構建立模型,計算出結構中每一個構件截面的承載力彎矩和開裂彎矩。但是如果工程項目的設計人員在住宅建筑結構中設置了剪力墻,在建模之前還要分析剪力墻的受力情況[9]。

計算住宅建筑中每一個構件的剛度,采用Pushover分析模型來分析住宅建筑的各個樓層之間的層間位移角和側向剛度,得到了住宅建筑結構的承載力曲線,如圖1所示。

圖1 住宅建筑結構的承載力曲線Fig.1 Bearing capacity curve of residential building structure

住宅建筑結構的承載力曲線一般不能與界限容許限值直接比較,要經(jīng)過模型轉換,將自由度模型轉變?yōu)榈刃У膯巫杂啥润w[10]。

可以利用式（1）進行曲線轉換:

式中,V和Δn表示住宅建筑結構載荷；Sai、Sdi表示能力譜曲線上的點；G表示總的等效載荷代表值；φ1T表示第一振型頂點振幅；α1表示質(zhì)量系數(shù)；γ1表示參與系數(shù)。

α1和γ1可以根據(jù)式（2）計算得到:

式中,mi表示住宅建筑第i層的質(zhì)量；φi1表示第一陣型在第i層的振幅。

經(jīng)過上述的模型轉換,可以得到能力譜曲線。如圖2所示。

圖2 能力譜曲線Fig.2 Capability spectrum curve

模型轉換后的單自由度體還不能夠計算出住宅建筑中各構件的剛度,還要經(jīng)過ADRS譜的轉換,才能計算出構件的剛度[11]。

需求反應譜在周期 處的加速度譜和位移譜具有下列關系:

由需求反應譜經(jīng)過數(shù)學模型轉換,可以直接轉換成SDRS譜,如圖3所示。

圖3 SDRS譜曲線Fig.3 SDRS spectrum curve

將式（3）中的位移譜和加速度譜聯(lián)立,可以得到：

通過公式轉換,繪制出能力譜與需求譜之間的關系,如圖4所示。

圖4 能力譜與需求譜的關系曲線Fig.4 The relationship between capability spectrum and demand spectrum

先利用建模分析得到的載荷-位移曲線,并計算了住宅建筑中各個構件的剛度,得到了住宅建筑結構的承載力曲線,最后根據(jù)曲線之間的轉換,完成了Pushover分析模型的建立。

1.3實現(xiàn)住宅建筑的抗震分析

在分析住宅建筑的抗震效果之前,首先要采用混凝土框架結構施工技術將住宅建筑的破壞狀態(tài)限制在一個目標水平內(nèi),來選取抗震性能分析目標,提高住宅建筑抗震分析的振型剛度。接著利用建模分析得到的載荷-位移曲線,并計算了住宅建筑中各個構件的剛度,得到了住宅建筑結構的承載力曲線,最后根據(jù)曲線之間的轉換,完成了Pushover分析模型的建立,最后在混凝土框架結構施工技術的基礎上,通過地震的時程分析來實現(xiàn)住宅建筑的抗震分析。

傳統(tǒng)的抗震分析是以地震反應譜作為依據(jù),將住宅建筑地震動力載荷折算成靜力載荷,然后對住宅建筑進行計算分析,得到住宅建筑在地震載荷作用下的響應情況[12]。

地震反應的時程分析是將住宅建筑結構作為一個振動系統(tǒng),對住宅建筑結構的運動方程直接積分,就可以得到對應的地震響應[13]。

時程分析流程如下:

A．對住宅建筑模型輸入加速度時程曲線,模擬出地震的反應,并分析和計算；

B．采用彈塑性恢復力曲線來表征住宅建筑結構的力學性質(zhì)；

C．得到住宅建筑結構中塑性鉸出現(xiàn)的具體位置和時刻,確定住宅建筑結構中的薄弱部位。

通過時程分析流程,將混凝土框架結構施工技術應用到了住宅建筑的抗震分析中,抗震分析步驟如下:

Step1:對分析的住宅建筑建立三維有限元分析模型；

Step2:設置塑性鉸的對應屬性,選定與之對應的框架單元；

Step3:分析住宅建筑的工況；

Step4:計算和分析住宅建筑的結構模型；

Step5:針對不同的塑性鉸屬性,并結合住宅建筑抗震分析的實際情況,進行住宅建筑的截面設計并設計配筋；

Step6:定義Pushover分析模型并分析荷載工況；

Step7:運行Pushover分析模型來分析住宅建筑的工況；

Step8:查看分析結果、關系曲線；

Step9:按照需求進一步修改,并重復上述過程,直至符合住宅建筑的抗震分析要求。

綜上所述,采用混凝土框架結構施工技術將住宅建筑的破壞狀態(tài)限制在一個目標水平內(nèi),確定了住宅建筑的抗震性能分析目標,完成抗震性能分析目標的選??；然后利用建模分析得到的載荷-位移曲線,并計算了住宅建筑中各個構件的剛度,得到了住宅建筑結構的承載力曲線,最后根據(jù)曲線之間的轉換,完成了Pushover分析模型的建立；最后在混凝土框架結構施工技術的基礎上,通過地震的時程分析來實現(xiàn)住宅建筑的抗震分析。

2實驗對比

2.1實驗參數(shù)設計

為了保證對比實驗的準確性,在實驗開始前需要對參與實驗的某些參數(shù)做好提前設定,具體設定如下:

住宅建筑的地震影響系數(shù)最大值為小震的2.8倍；

將強剪弱彎的結構內(nèi)力系數(shù)調(diào)整為1；

載荷分項系數(shù)取值為1；承載力的抗震計算調(diào)整系數(shù)取值設置成1；整個實驗過程中,材料的強度都選取標準值。

2.2實驗方案及過程設計

傳統(tǒng)的住宅建筑抗震分析會使樓層墻體出現(xiàn)拉應力,且住宅建筑的外圍墻體拉應力會超過2ftk,不滿足住宅建筑的抗震性能要求。本文設計的抗震分析對比實驗在抗震性能方面做了進一步探討,如果采用降低能耗的設計來增加住宅建筑的附屬結構,從而幫助住宅建筑結構耗能,可以降低住宅建筑結構受到地震的強烈作用,不僅可以解決拉應力過大的問題,還可以解決方案不合理造成的住宅建筑層間位移角不滿足要求的問題。

本實驗的具體實施步驟為:

步驟1:確定住宅建筑出現(xiàn)拉應力的墻體層數(shù)和位置；

步驟2:使用式（5）來驗算出現(xiàn)拉應力的墻體,并判斷拉應力是否超過了2ftk；

步驟3:對于拉應力超過2ftk的墻體,在不同工況下的內(nèi)力信息導入到編制的 excel 文件中,并計算出組合后的軸力；

步驟4:通過輸入預估的住宅建筑型鋼截面,通過墻體彈性模量折算的方法,最終計算出不同工況下的折算后拉應力是否超過了；

步驟5:不超過2ftk,則說明住宅建筑的剛度滿足抗震設計要求；超過2ftk,則重新選擇住宅建筑型鋼截面；

步驟6:統(tǒng)計實驗結果并分析。

2.3 實驗結果分析

利用上述的實驗方案及過程,得到住宅建筑抗震分析的振型剛度曲線。如圖5所示。

圖5 住宅建筑抗震分析的振型剛度曲線Fig.5 Mode stiffness curve of seismic analysis of residential buildings

從實驗結果中可以看出,隨著剪力值的增大,兩種抗震分析方法獲取到的住宅建筑抗震分析的振型剛度都在逐漸升高,但是傳統(tǒng)抗震分析方法獲取到的住宅建筑抗震分析的振型剛度值,當剪力值達到5 KN時就不再升高,而是隨著剪力值的增大而降低；基于混凝土框架結構施工技術的住宅建筑抗震分析方法獲取到的實驗數(shù)據(jù)中,住宅建筑抗震分析的振型剛度值一直在升高,最高達到了19 KN/m。因此可以得出本文的抗震分析方法具有較高的抗震效果。

3 結語

本文提出了混凝土框架結構施工技術在住宅建筑的抗震分析。采用混凝土框架結構施工技術將住宅建筑的破壞狀態(tài)限制在一個目標水平內(nèi),完成抗震性能分析目標的選?。蝗缓罄媒７治龅玫捷d荷-位移曲線,并計算了住宅建筑中各個構件的剛度,根據(jù)曲線之間的轉換,完成了Pushover分析模型的建立；最后在混凝土框架結構施工技術的基礎上,通過地震的時程分析來實現(xiàn)住宅建筑的抗震分析。實驗結果表明,基于混凝土框架結構施工技術的住宅建筑抗震分析方法相比于傳統(tǒng)抗震分析方法,住宅建筑抗震分析的振型剛度值提升了39.29%。