罕遇地震作用下超高層公寓靜力彈塑性分析

劉嘉慧

(中信建筑設(shè)計研究總院有限公司， 湖北 武漢 430014)

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罕遇地震作用下超高層公寓靜力彈塑性分析

劉嘉慧

(中信建筑設(shè)計研究總院有限公司， 湖北 武漢 430014)

采用Pushover法對超高層公寓進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性分析,以建立結(jié)構(gòu)能力譜曲線并評價結(jié)構(gòu)的抗震性能。根據(jù)罕遇地震性能點(diǎn)的結(jié)構(gòu)變形,檢驗結(jié)構(gòu)層間位移角是否滿足彈塑性層間位移角限值；由結(jié)構(gòu)塑性鉸的分布,判斷結(jié)構(gòu)薄弱位置,進(jìn)而根據(jù)塑性鉸所處的狀態(tài),檢驗結(jié)構(gòu)構(gòu)件是否滿足罕遇作用下性能水準(zhǔn)的要求。結(jié)果表明,不同荷載分布模式下的結(jié)構(gòu)模型在罕遇地震作用下均滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

彈塑性；塑性鉸；罕遇地震；層間位移角

1　工程概況

本工程位于武漢市漢口賀家墩常青路與中環(huán)線交匯處,江漢區(qū)常青路張公堤邊。超高層公寓地上50層,標(biāo)準(zhǔn)層層高2.9m,地面以上總高度154.8m,為B級高度(屬于高度超限)的鋼筋混凝土高層建筑,須進(jìn)行基于性能的抗震設(shè)計。結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu),抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計基本地震加速度為0.05g,設(shè)計地震分組為第一組,場地土類別為Ⅱ類。

2　超高層公寓的彈塑性分析

2.1模型建立

分析模型為由SATWE轉(zhuǎn)至MIDAS/Gen的計算模型,幾何、材料參數(shù)及荷載均同SATWE模型。由MIDAS/Gen進(jìn)行彈性計算,并對構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計后再進(jìn)行Pushover分析,彈性計算考慮風(fēng)荷載和地震作用。地震作用按6度小震,采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法計算。結(jié)構(gòu)三維立體圖見圖1,標(biāo)準(zhǔn)層平面見圖2。

圖1　結(jié)構(gòu)三維立體圖

圖2　標(biāo)準(zhǔn)層平面

2.2Pushover主控數(shù)據(jù)及荷載工況

初始荷載采用 1.0恒載標(biāo)準(zhǔn)值+0.5活荷載標(biāo)準(zhǔn)值。最大子步驟數(shù) 20。每步驟內(nèi)最大迭代計算次數(shù) 20。位移標(biāo)準(zhǔn) 0.001。

由于在一種固定側(cè)向荷載分布模式作用下不可能預(yù)測結(jié)構(gòu)構(gòu)件的各種變形情況,因此建議至少采用兩種側(cè)向荷載分布模式進(jìn)行分析。本工程采用兩種類型的側(cè)向荷載分布模式進(jìn)行Pushover分析,即模態(tài)分布模式和加速度常量分布模式。考慮到結(jié)構(gòu)的非對稱性,每種荷載分別按X、Y兩個主方向加載,每個方向分別考慮正負(fù)不同情況。對上述共8個荷載工況進(jìn)行了Pushover分析,得到各個工況的能力譜曲線,Pushover荷載工況見表1。

2.3定義及分配鉸特性值

塑性鉸成分的定義,與構(gòu)件預(yù)期破壞的方式(屈服成分)有關(guān)。塑性鉸應(yīng)設(shè)置在彈性階段內(nèi)力最大處,因為結(jié)構(gòu)的這些位置最先達(dá)到屈服。對于梁單元,一般情況是兩端內(nèi)力最大,并且主要承受彎矩荷載,所以在梁兩端設(shè)置彎矩鉸(My)。而柱、 墻承受軸力和雙向彎矩的共同作用,故在柱、墻兩端設(shè)置壓彎鉸(P-My-Mz)。在剪力最大處,應(yīng)設(shè)置剪切鉸。構(gòu)件如因節(jié)點(diǎn)打斷,應(yīng)注意不是全選構(gòu)件去分配塑性鉸,這將導(dǎo)致鉸太多或設(shè)鉸不正確,要“該設(shè)才設(shè)”。Pushover分析中鉸特性值的定義及分配見表2。

表1　Pushover荷載工況

表2　鉸特性值的定義及分配

3　結(jié)果分析

3.1動力特性

進(jìn)行Pushover分析前,對SATWE和MIDAS/Gen兩種分析程序整體計算結(jié)果進(jìn)行了比較。從表3和表4可以看出,兩種模型的質(zhì)量、自振周期均接近,且振動形態(tài)也一一對應(yīng),表明MIDAS/Gen計算模型具備進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析的條件。

表3　結(jié)構(gòu)質(zhì)量

表4　結(jié)構(gòu)動力特性

3.2罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)

由靜力彈塑性分析可以得到基底反力與控制節(jié)點(diǎn)位移關(guān)系曲線,稱為能力曲線。要得到性能點(diǎn),應(yīng)該先將能力曲線轉(zhuǎn)化成譜加速度-譜位移表示的能力譜曲線,同時將反應(yīng)譜曲線轉(zhuǎn)換為譜加速度-譜位移表示的需求譜曲線,能力譜曲線與需求譜曲線放在同一坐標(biāo)系內(nèi),兩條曲線的交點(diǎn)即為性能點(diǎn)[1-2]。

從不同方向進(jìn)行的加載得到的能力譜曲線反映了結(jié)構(gòu)在不同方向上的抗推覆能力。在推覆過程中,同一加載模式下X向能力譜曲線和Y方向能力譜曲線變化非常相似,曲線形狀基本相同,說明兩個方向的抗推覆能力也非常相近；同一加載模式下同一坐標(biāo)軸方向的正負(fù)兩個方向能力譜曲線基本相同,說明結(jié)構(gòu)沿正負(fù)兩個方向的抗推覆能力也基本相同。

從圖3至圖6可以看出,能力譜曲線較為平滑,頂點(diǎn)位移與基底剪力基本呈線性遞增；在設(shè)定目標(biāo)范圍內(nèi),各荷載工況下得到的能力曲線均平滑上升,未出現(xiàn)陡降段或突變段。各能力譜與罕遇地震的需求譜均有交點(diǎn)。

圖3　PUSH-MX+能力譜曲線及性能點(diǎn)

圖4　PUSH-AX+能力譜曲線及性能點(diǎn)

圖5　PUSH-MY+能力譜曲線及性能點(diǎn)

圖6　PUSH-AY+能力譜曲線及性能點(diǎn)

3.3罕遇地震作用下彈塑性層間位移角

結(jié)構(gòu)豎向剛度基本均勻,罕遇地震作用下彈塑性層間位移角曲線均勻變化,不存在突變。各工況下X向彈塑性層間位移角最大值為1/400,出現(xiàn)在第27層結(jié)構(gòu)；各工況下Y向彈塑性層間位移角最大值為1/403,出現(xiàn)在第25層結(jié)構(gòu)。表明兩個方向的剛度非常相近,罕遇地震作用下彈塑性層間位移角均小于1/120,滿足彈塑性層間位移角限值的規(guī)定[3-4]。

3.4罕遇地震作用下塑性鉸分布

以PUSH-MX+和PUSH-MY+兩個荷載工況為例,主要結(jié)構(gòu)部分在罕遇地震作用下的塑性鉸分布見圖7。

罕遇地震性能點(diǎn)處的塑性鉸狀態(tài)見表5。

表5　罕遇地震性能點(diǎn)處的塑性鉸狀態(tài)

圖7　PUSH-MX+和PUSH-MY+塑性鉸分布圖

4　結(jié)　語

在罕遇地震作用下,不同加載模式得到的能力譜曲線與罕遇地震的需求譜曲線均有交點(diǎn)。豎向構(gòu)件絕大部分處于彈性狀態(tài),少部分出現(xiàn)剛進(jìn)入屈服狀態(tài)的PMM鉸；框架梁和連梁絕大部分處于彈性狀態(tài)或出現(xiàn)剛進(jìn)入屈服狀態(tài)的塑性鉸,部分塑性鉸進(jìn)入IO狀態(tài)。結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度與變形能力儲備,可以滿足“大震不倒”的要求,彈塑性分析結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)。部分連梁出現(xiàn)塑性鉸,應(yīng)嚴(yán)格控制配筋率,提高連梁延性, 同時滿足強(qiáng)剪弱彎的要求。底部少數(shù)剪力墻在罕遇地震作用下出現(xiàn)塑性鉸,應(yīng)加強(qiáng)剪力墻底部的配筋構(gòu)造。

[1]胡瀟,高涌濤.罕遇地震作用下什邡電信大樓靜力彈塑性分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2011,41(3)：45-49．

[2]汪大綏,賀軍利,張鳳新.靜力彈塑性分析(Pushover Analysis)的基本原理和計算實例[J].世界地震工程,2004,20(1)：45-53．

[3]中國建筑科學(xué)研究院.GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[4]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2011.

Analysis on the Static Elastic Plasticity of the Super High-Rise Buildings under the Effect of Rarely Occurred Earthquake

LIU Jiahui

2016-04-26

劉嘉慧(1985—)，男，河南葉縣人，工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

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