某高層住宅大震作用下結(jié)構(gòu)整體性能評(píng)價(jià)

洪承禹 （安徽省施工圖審查有限公司，安徽 合肥 230000）

為達(dá)到建筑物受罕遇地震影響時(shí)，不發(fā)生倒塌或嚴(yán)重破壞的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)，通常采用以抗震性能為基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)思想和以位移為基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法。

基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)方法是使被設(shè)計(jì)的建筑物在使用期間滿(mǎn)足各種預(yù)定功能或性能目標(biāo)要求，使抗震設(shè)計(jì)從宏觀(guān)定性的目標(biāo)向具體量化的多重目標(biāo)過(guò)渡，具體來(lái)說(shuō)就是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的非線(xiàn)性地震反應(yīng)分析，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件及結(jié)構(gòu)整體性能的研究，得到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在地震下的反應(yīng)，以證明結(jié)構(gòu)可以達(dá)到既定的性能目標(biāo)。

結(jié)構(gòu)喪失穩(wěn)定以致倒塌一般是由于重力作用在有過(guò)大側(cè)向變形的結(jié)構(gòu)上所引起的，這種效應(yīng)被廣泛稱(chēng)為“P-Δ”效應(yīng)。因而達(dá)到防倒塌設(shè)計(jì)目標(biāo)的中心思想是限制結(jié)構(gòu)的最大總彈塑性變形在規(guī)定的限值以?xún)?nèi)。

1 工程概況

某6度區(qū)高層住宅地下3層，地上60層，剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑高度約190m，抗震設(shè)防類(lèi)別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)，標(biāo)準(zhǔn)層平面見(jiàn)圖1。根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和超限類(lèi)型并征詢(xún)業(yè)主的意見(jiàn)，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.11節(jié)，本工程抗震性能目標(biāo)選為C；各地震工況下的性能水準(zhǔn)依次為1、3、4。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

本文對(duì)該工程進(jìn)行罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，研究結(jié)構(gòu)在大震作用下的基底剪力、頂點(diǎn)位移、層間位移角等綜合指標(biāo)，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在大震作用下的力學(xué)性能。

2 分析方法

采用有限元軟件Midas Building對(duì)本工程進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，考慮以下因素。

①幾何非線(xiàn)性：結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡方程建立在結(jié)構(gòu)變形后的幾何狀態(tài)上，可以精地考慮“P-Δ”效應(yīng)、非線(xiàn)性屈曲效應(yīng)、大變形效應(yīng)等非線(xiàn)性影響因素。

②材料非線(xiàn)性：直接在材料應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的水平上進(jìn)行模擬，真實(shí)地反映了材料在反復(fù)地震作用下的受力與損傷情況。

③采用直接積分，可以準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的破壞情況直至倒塌形態(tài)。

3 非線(xiàn)性地震反應(yīng)分析結(jié)構(gòu)模型[4]

3.1 剪力墻模擬

剪力墻采用的是基于材料本構(gòu)的纖維束模型，用不同的纖維束分別模擬混凝土和鋼筋材料。

3.2 鋼筋/型鋼混凝土梁模擬

鋼筋/型鋼混凝土梁采用的是基于構(gòu)件的非線(xiàn)性模型，其塑性損傷采用集中的塑性鉸來(lái)模擬，塑性鉸采用的是PM鉸。

3.3 阻尼比取值

結(jié)構(gòu)阻尼采用瑞雷阻尼，選擇T=0.25T和，在5%的阻尼比下計(jì)算質(zhì)量矩陣和剛度矩陣比例系數(shù)α和β的數(shù)值，隨著地震波的輸入，結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)，程序自動(dòng)更新阻尼矩陣。

4 地震波選取

本工程選取了兩條天然波及一條人工波。地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度：125cm/s(主方向)；106.3cm/s(次方向)。地震波有效持續(xù)時(shí)間不小于5倍基本周期；地震波輸入時(shí)間間隔0.02秒。大震彈性時(shí)程分析基底總剪力值與規(guī)范振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算基底總剪力值滿(mǎn)足規(guī)范要求的多條地震波計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，單條地震波計(jì)算底部剪力不小于65%的要求。所選波基本滿(mǎn)足規(guī)范要求的多組時(shí)程波計(jì)算的平均譜與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算所用的規(guī)范譜相比在統(tǒng)計(jì)意義上相符的要求。

5 結(jié)構(gòu)整體性能評(píng)價(jià)

5.1 基底剪力時(shí)程曲線(xiàn)

圖2～圖3為大震地震波（天然波1）作用下結(jié)構(gòu)基底剪力時(shí)程(彈性時(shí)程和彈塑性時(shí)程對(duì)比)，本文僅列出天然波1作用主方向的基底剪力時(shí)程。

圖2 天然波1X主方向基底剪力時(shí)程

圖3 天然波1Y主方向基底剪力時(shí)程

X方向和Y方向情況有所不同：①?gòu)慕Y(jié)構(gòu)的平面尺寸和構(gòu)件布置可知，結(jié)構(gòu)的X方向平面尺寸較長(zhǎng)，但除個(gè)別幾道長(zhǎng)墻肢外，均為小墻肢，靠較多的框架梁和連梁等耗能構(gòu)件連接而成形成抗側(cè)力體系；Y向平面尺寸較短，但幾乎均為長(zhǎng)肢墻，耗能構(gòu)件較少。②本工程X向風(fēng)荷載下基底剪力、傾覆力矩和小震水準(zhǔn)下計(jì)算結(jié)果基本相當(dāng)，但是Y向?yàn)轱@著的風(fēng)控，風(fēng)荷載作用下基底剪力、傾覆力矩和中震水準(zhǔn)下計(jì)算結(jié)果基本相當(dāng)，因此在彈性計(jì)算時(shí)風(fēng)荷載控制也使得Y方向結(jié)構(gòu)的抗震承載力有較大的富余。③在地震波作用的初始數(shù)秒，結(jié)構(gòu)仍然處于彈性階段，彈性和彈塑性分析基底剪力基本吻合；隨著時(shí)間的推移，地震作用的加大，輸入能量逐步累積，結(jié)構(gòu)也相繼進(jìn)入塑性，地震力也出現(xiàn)相應(yīng)的偏差。X方向進(jìn)入塑性更為明顯，周期延長(zhǎng)顯著，Y方向彈塑性基底剪力和彈性基底剪力時(shí)程曲線(xiàn)趨勢(shì)基本一致，數(shù)值差距不大，說(shuō)明Y方向的抗側(cè)剛度削弱不明顯，Y方向的抗側(cè)力構(gòu)件(剪力墻和耗能構(gòu)件)進(jìn)入屈服階段的數(shù)量較少。

5.2 頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線(xiàn)

圖4～圖5為大震地震波（天然波1）作用下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程(彈性時(shí)程和彈塑性時(shí)程對(duì)比)，本文僅列出天然波1作用主方向的頂點(diǎn)位移時(shí)程?？梢?jiàn)，在地震波作用的初始數(shù)秒，結(jié)構(gòu)仍然處于彈性階段，彈性和彈塑性分析頂點(diǎn)位移基本吻合；隨著時(shí)間的推移，地震作用的加大，輸入能量逐步累積，結(jié)構(gòu)也相繼進(jìn)入塑性，結(jié)構(gòu)周期延長(zhǎng)，頂點(diǎn)位移也出現(xiàn)相應(yīng)的偏差。從各條波作用下頂點(diǎn)位移時(shí)程來(lái)看，結(jié)構(gòu)仍然處于直立狀態(tài)，滿(mǎn)足大震不倒的要求。

圖4 天然波1X主方向頂點(diǎn)位移時(shí)程

圖5 天然波1Y主方向頂點(diǎn)位移時(shí)程

5.3 最大層間位移角曲線(xiàn)

圖6～圖7分別為三組大震地震波作用下結(jié)構(gòu)各樓層最大層間位移角曲線(xiàn)，本文僅列出地震波作用主方向的層間位移角。可見(jiàn)，各樓層層間位移角最大值均滿(mǎn)足1/120的限值要求。

圖6 X主方向?qū)娱g位移角曲線(xiàn)

圖7 Y主方向?qū)娱g位移角曲線(xiàn)

5.4 結(jié)構(gòu)屈服機(jī)制

由于計(jì)算分析的波較多，本文僅給出天然波1作用下結(jié)構(gòu)屈服情況。從圖7可以看出剪力墻均未進(jìn)入屈服階段，下面僅通過(guò)耗能構(gòu)件塑性鉸在不同時(shí)刻的開(kāi)展情況直觀(guān)了解結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制。

圖8～圖14給出地震波作用不同時(shí)刻框架梁及連梁的塑性開(kāi)展情況，由圖可見(jiàn)：在5s時(shí)，部分框架梁及連梁出現(xiàn)塑性鉸，但鉸狀態(tài)均為第1屈服狀態(tài)，即混凝土開(kāi)裂；在15s時(shí)，結(jié)構(gòu)的中下部區(qū)域的耗能構(gòu)件已經(jīng)進(jìn)入第2屈服狀態(tài)，即梁內(nèi)縱筋屈服，可有效參與耗能；在30s時(shí)，進(jìn)入第2屈服狀態(tài)的耗能構(gòu)件數(shù)量進(jìn)一步增多，在結(jié)構(gòu)的上部區(qū)域也陸續(xù)出現(xiàn)塑性鉸；30s之后新增的塑性鉸數(shù)量不是太多(見(jiàn)圖11)，最終時(shí)刻進(jìn)入第2屈服狀態(tài)的塑性鉸數(shù)量約占64%。頂部框架柱并未出現(xiàn)塑性鉸，剪力墻未進(jìn)入屈服階段。

圖8 剪力墻受壓應(yīng)變等級(jí)

圖9 5s時(shí)耗能構(gòu)件整體屈服狀態(tài)

圖10 15s時(shí)耗能構(gòu)件整體屈服狀態(tài)

圖11 30s時(shí)耗能構(gòu)件整體屈服狀態(tài)

圖12 20層框架梁及連梁（梁?jiǎn)卧?S時(shí)屈服狀態(tài)

圖13 20層框架梁及連梁（梁?jiǎn)卧?5S時(shí)屈服狀態(tài)

圖14 20層框架梁及連梁（梁?jiǎn)卧?0S時(shí)屈服狀態(tài)

可見(jiàn)，連梁作為結(jié)構(gòu)抗震第一道防線(xiàn)，在地震作用下能迅速進(jìn)入損傷階段，并在整個(gè)地震過(guò)程中保持耗能作用，有效保護(hù)了剪力墻肢免受破壞，結(jié)構(gòu)有合理的屈服機(jī)制，有較好的耗能能力。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)大震動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)體系在罕遇地震作用下整體變形(最大樓層層間位移角)小于規(guī)范最大值1/120的允許限值；結(jié)構(gòu)體系擁有合理的屈服機(jī)制，有較好的耗能能力?？梢?jiàn)，本工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件在大震下均能達(dá)到預(yù)定的性能目標(biāo)，滿(mǎn)足大震不倒的設(shè)防要求。