某減震結(jié)構(gòu)彈塑性分析

唐艷芳

（中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京100013）

1 工程概況

本工程為乙類建筑，重點(diǎn)設(shè)防類，框剪結(jié)構(gòu)，采用減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。8度（0.2g）設(shè)防烈度，Ⅱ類場地，特征周期為0.45 s，地震分組為二組，阻尼比為0.05，周期折減系數(shù)為0.75。

2 減震結(jié)構(gòu)彈性時程分析

2.1 建立模型

依據(jù)線性等效原理，利用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件YJK以1根等代柱模擬懸臂式減震構(gòu)件，做減震設(shè)計(jì)時，要使實(shí)際懸臂墻與剪切型阻尼器串聯(lián)的剛度與等代柱在YJK模型中的剛度相等。由于SAP 2000有限元分析軟件建模靈活、模擬功能強(qiáng)大、線性和非線性分析能力強(qiáng)，因些，采用SAP 2000軟件創(chuàng)建減震結(jié)構(gòu)模型進(jìn)一步計(jì)算分析，懸臂墻型剪切阻尼器用plastic1連接單元模擬。如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 阻尼器

圖2 懸臂墻型剪切阻尼器示意圖

圖3 阻尼器模擬

2.2 選擇地震波

地震波選擇5條強(qiáng)震記錄（地震波編號544、547、548、554、550）和2條人工模擬波（REN1、REN2），滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]（以下簡稱《抗震規(guī)范》）5.1.2條的規(guī)定及其條文說明：要符合振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線，與多組時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。所謂“在統(tǒng)計(jì)意義上相符”，指的是多組時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差不大于20%。即多條時程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，每條時程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，各地震波與反應(yīng)譜計(jì)算的基底剪力對比如表1所示。

表1 各地震波與反應(yīng)譜計(jì)算的基底剪力對比

2.3 彈性時程分析結(jié)果

彈性時程分析假設(shè)結(jié)構(gòu)布置有非線性阻尼器，采用SAP2000軟件，利用其快速非線性分析（FNA）方法得出小震層間位移角如表2所示。

表2 小震層間位移角

3 彈塑性時程分析結(jié)果

假定采用小變形、彈塑性時程分析過程考慮材料的非線性特點(diǎn)，不考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性。本項(xiàng)目減震結(jié)構(gòu)的彈塑性時程分析采用SAP 2000大型有限元分析軟件，利用其強(qiáng)大的非線性動力分析功能進(jìn)行分析，分析結(jié)果可以較好地反映進(jìn)入塑性階段的主體結(jié)構(gòu)變形和罕遇地震下剪切阻尼器的力學(xué)特性。在軟件中，用連接單元plastic模擬懸臂墻型剪切阻尼器，用Hilber-Hughes-Taylor逐步積分法求解運(yùn)動微分方程。如圖4和圖5所示。

彈塑性時程結(jié)果取3條地震波作用下的包絡(luò)值，在彈性時程分析的基礎(chǔ)上分析3條地震波，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 3條時程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線

圖5 3條地震波的加速度時程曲線

罕遇地震下減震結(jié)構(gòu)位移角的3條波計(jì)算結(jié)果為：REN1X為1/260、REN1Y為1/233；547X為1/225、547Y為1/211；554X為1/226、554Y為1/189。對于不同地震波的時程分析，根據(jù)規(guī)范要求，3條地震波可取包絡(luò)值。

罕遇地震非減震結(jié)構(gòu)位移角的3條波計(jì)算結(jié)果為：REN1X為1/187、REN1Y為1/189；547X為1/168、547Y為1/152；554X為1/177、554Y為1/131。對不同地震波的時程分析，根據(jù)規(guī)范要求，3條地震波可取包絡(luò)值。

要達(dá)到“大震不倒”的目標(biāo)，需要在建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置合理的耗能結(jié)構(gòu)，罕遇地震作用下允許結(jié)構(gòu)的部分構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)，但是需要控制結(jié)構(gòu)出鉸順序[2]。計(jì)算分析表明，該建筑滿足強(qiáng)柱弱梁的結(jié)構(gòu)體系，大震時程作用下，塑性鉸出現(xiàn)在框架柱、框架梁，并且柱鉸晚于梁鉸的出現(xiàn)。

4 設(shè)計(jì)阻尼器的周邊構(gòu)件

將罕遇地震下構(gòu)件的彈性內(nèi)力作為配筋依據(jù)，設(shè)計(jì)阻尼器周邊的構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)，其中材料強(qiáng)度用極限值；同時，相連的框架柱、框架梁要滿足《抗震規(guī)范》6.2.2條的“強(qiáng)柱弱梁”，以及6.2.4條的“強(qiáng)剪弱彎”的規(guī)定[3～5]。

5 結(jié)語

本文對某建筑結(jié)構(gòu)采用了彈塑性時程計(jì)算分析，利用3條地震波的包絡(luò)值分析了X向地震和Y向地震時，彈塑性階段的結(jié)構(gòu)性能，可以得出如下結(jié)論：

1）大震作用下滿足強(qiáng)柱弱梁的結(jié)構(gòu)體系，大震時程作用下，塑性鉸出現(xiàn)在框架柱、框架梁，并且柱鉸晚于梁鉸的出現(xiàn)。

2）大震下，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)X向的水平位移比為0.75，Y向的水平位移比為0.70。符合“大震下減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的水平位移比小于0.75”的規(guī)定。

3）布置的阻尼器大部分已經(jīng)進(jìn)入塑性階段，起到了優(yōu)良的耗能作用。利用具有良好抗震耗能性質(zhì)的阻尼器附設(shè)在主體結(jié)構(gòu)中后，結(jié)構(gòu)體系有了更高的安全性。