大跨度民用建筑抗震性能評估研究

邵彥俊

目前，確定性與非確定性方法是大跨度民用建筑抗震性能評價中使用的主要評價方法，但是在評價中所選取的地震效果不同，反映出來的地震時間過程也有所差異[1]。例如，非確定性評估方法是在不確定的地震作用下，通過采用隨機(jī)的確定性地震作用方式來反映整個過程，對評估結(jié)構(gòu)的受力變化以及產(chǎn)生的受損結(jié)果進(jìn)行分析評價，這是一種在有限條件下只考慮主要影響因素的評估方法。但是由于地震產(chǎn)生原因、制約因素、震區(qū)地質(zhì)環(huán)境等影響因素紛繁復(fù)雜，導(dǎo)致真實的地震情況極為復(fù)雜。但當(dāng)前主流研究地震的隨機(jī)振動理論難以綜合考慮到所有因素，這就導(dǎo)致建立的地震動隨機(jī)模型尚不能完全復(fù)現(xiàn)地震的真實場景，無法對大跨度民用建筑的抗震性能進(jìn)行有效評估[2]。為解決這一問題，本文利用ETABS 軟件對傳統(tǒng)的pushover評估方法進(jìn)行了優(yōu)化。

1.大跨度民用建筑抗震性能評估方法設(shè)計

1.1 優(yōu)化pushover 評估方法

本文在原有pushover 評估方法[3]的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，將ETABS 軟件與pushover 方法相結(jié)合，通過定義工況和非線性鉸，建立分析模型，并對模型進(jìn)行有限元分析，得到塑性鉸分布圖、樓層位移角度曲線、層間位移傾斜度角曲線及建筑物結(jié)構(gòu)基底剪力——位移曲線等分析結(jié)果，對上述結(jié)果進(jìn)行評估，得出抗震性能的結(jié)論。

ETABS 計算機(jī)軟件是建筑行業(yè)對不同結(jié)構(gòu)體系的建筑物提供抗震評估的專用評估軟件；pushover 分析為結(jié)合反應(yīng)譜的靜力彈塑性分析工具。軟件強大的分析功能為評估和鞏固工業(yè)及民用建筑的地震恢復(fù)能力提供了一整套系統(tǒng)的分析和標(biāo)準(zhǔn)。在評估軟件中，通過數(shù)據(jù)分析、對標(biāo)典型模型，將地震等級與建筑物性能表現(xiàn)等級（Building Performance Level）和建筑物修復(fù)目標(biāo)（RehabilitationObjectives）三者相關(guān)聯(lián)，并分類制定不同情況下的恢復(fù)重建目標(biāo)[4]。對于大跨度民用建筑結(jié)構(gòu)，通過pushover 方法建立經(jīng)靜力線性、動力線性、靜力非線性和動力非線性四種評估指標(biāo)，評估結(jié)構(gòu)抗震性能。

1.2 ETABS 與pushover 結(jié)合的應(yīng)用

首先，通過ETABS 軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到平時與地震中大跨度建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力參數(shù)、應(yīng)力參數(shù)、各結(jié)構(gòu)層響應(yīng)曲線、位移等參數(shù)。再經(jīng)過靜力彈塑性分析得到曲線、樓層響應(yīng)曲線、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移等參數(shù)，結(jié)構(gòu)達(dá)到目標(biāo)位移時的性能點。最后，使用得到的參數(shù)，通過ETABS軟件生成了性能點曲線，隨后進(jìn)行需求譜的轉(zhuǎn)換，然后計算等效阻尼 βeff，計算過程如下：

通過軟件分析得到屈服點坐標(biāo)(ay，dy)，性能點坐標(biāo)(ap，dp)

式1 中，ED為結(jié)構(gòu)的等效需求。式2 中，ES為結(jié)構(gòu)的能力需求，計算得出大跨度民用建筑的等效需求與能力譜需求是否相交于一點。若相交于一點，則得出結(jié)構(gòu)能抵抗地震作用下結(jié)構(gòu)的塑性變形，此時地震中結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，反之則不安全。

2.工程實例

2.1 工程簡述

現(xiàn)在以某辦公樓為實例對創(chuàng)新pushover 分析方法進(jìn)行驗證分析。實例建筑為L 型建筑，結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土，共7 層，其中首層為商鋪，層高為3.3m；建筑平面尺寸總長為36m，總寬為9m，其他層為辦公及配套用房，總高22.80m，采用C25 混凝土現(xiàn)澆大跨度框架，樓板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，板厚100mm。該建筑興建于場所類別為II 類的場所上，所在地區(qū)的抗震設(shè)防強度為7 度。實驗中設(shè)置施加于建筑物的基本地震加速度值為0.150g，循環(huán)周期為0.40s。分為兩組進(jìn)行試驗。

實驗中建立標(biāo)準(zhǔn)評估模型。考慮到桿系有限元模型在直觀展現(xiàn)結(jié)構(gòu)非線性分析精確度有優(yōu)勢，建模計算復(fù)雜程度中等，可為一般實驗室的硬件環(huán)境所接受，具有實用性的特點，可以滿足絕大多數(shù)工程的需要。因此將桿系有限元模型作為本次實驗的標(biāo)準(zhǔn)評估模型。采用ETABS 軟件根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件及設(shè)計環(huán)境的基本情況建立分析用例。

2.2 實驗過程

試驗的大跨度建筑主要構(gòu)件的截面尺寸及材料強度如表1 所示。

表1 大跨度民用建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本情況

經(jīng)過靜力彈塑性（pushover）分析得到曲線、樓層響應(yīng)曲線、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移等參數(shù)，通過對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，求得不同工作條件下結(jié)構(gòu)的層間位移角，可以看出這種結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的抗震水平和地震級別，通過比較可知，結(jié)構(gòu)雖然在地震作用下發(fā)生了塑性變形，但其骨架仍在碳素層間位移角規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，形變量不足以產(chǎn)生破壞性后果，所以該框架能夠滿足我國現(xiàn)行抗震規(guī)范的要求。塑性鉸鏈結(jié)構(gòu)達(dá)到性能點后的分布圖，如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)達(dá)到性能點后塑性鉸分布圖

實驗的建筑結(jié)構(gòu)在水平加荷模式下得到了性能點，對結(jié)構(gòu)的性能點曲線進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)仍處于安全狀態(tài)。樓層最大位移曲線始終處于安全范圍內(nèi)，也從一個層面佐證了這一點，建筑結(jié)構(gòu)在相對于設(shè)防等級的地震作用下依然安全，滿足抗震的指標(biāo)要求。

通過位移角和位移曲線得到塑性鉸的結(jié)果。結(jié)構(gòu)的局部變形是檢驗抗震性能的重要指標(biāo)之一。計算機(jī)分析結(jié)果顯示，建筑物結(jié)構(gòu)在性能點前塑性鉸主要出現(xiàn)在梁端位置，具有一定的延性能力，未對梁體產(chǎn)生破壞影響，說明該結(jié)構(gòu)滿足“強柱弱梁”的要求。

當(dāng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)超過性能點后，柱底位置也出現(xiàn)塑性鉸，發(fā)展順序基本上是從下往上發(fā)展。此時，雖然結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定的破壞，但建筑結(jié)構(gòu)仍可快速恢復(fù)。

當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到性能點后，在同一方向繼續(xù)施加水平荷載，導(dǎo)致四層轉(zhuǎn)角框架梁柱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的塑性變形，失去穩(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)的承載力大小與相應(yīng)的抗震設(shè)防水平要求相當(dāng)。下部結(jié)構(gòu)在外力作用下雖然出現(xiàn)了一定的破壞，但不會立即失效，形成倒塌，基本可以達(dá)到抗震要求。在地震強度繼續(xù)增大時，角落結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，出現(xiàn)較嚴(yán)重的形變。

3.結(jié)束語

綜上所述，優(yōu)化后的pushover 評估方法所得到的性能分析數(shù)據(jù)對比傳統(tǒng)方法更加準(zhǔn)確和快捷。

相對于傳統(tǒng)的評估方法，用ETABS 優(yōu)化后的pushover 方法可以解決傳統(tǒng)方法的大部分不足之處，但是用靜力彈塑性分析方法評價既有建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能是一項復(fù)雜的工作，要使分析結(jié)果更準(zhǔn)確，還須對其做進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。