某8度區(qū)超限辦公樓靜力彈塑性分析

張尓旋，李培

(1.北京建筑大學(xué)，北京100044；2.華誠(chéng)博遠(yuǎn)（北京）工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京100052)

某8度區(qū)超限辦公樓靜力彈塑性分析

張尓旋1，李培2

(1.北京建筑大學(xué)，北京100044；2.華誠(chéng)博遠(yuǎn)（北京）工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京100052)

本工程運(yùn)用MidasBuilding結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行靜力彈塑性分析，總結(jié)出結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的破壞特點(diǎn)。找到性能點(diǎn)處的極限層間位移角，并驗(yàn)證是否滿足規(guī)范限值要求；通過(guò)統(tǒng)計(jì)框架鉸狀態(tài)，分析結(jié)構(gòu)的安全性和布置的合理性；觀察墻體混凝土的應(yīng)變水平，可找到豎向構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)深化環(huán)節(jié)中適當(dāng)加強(qiáng)。

靜力彈塑性；塑性鉸；性能點(diǎn)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.007

1 工程概況

本工程位于北京市，抗震設(shè)防烈度為8度，三類場(chǎng)地;框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地上 12層，地下 3層；總建筑面積為60000m2，地上總高度為41.5m（見(jiàn)圖1）。建筑的使用功能主要是辦公和相應(yīng)區(qū)域配套用結(jié)構(gòu)主體體型呈工子型（見(jiàn)圖2），共有5項(xiàng)不規(guī)則，屬超限結(jié)構(gòu)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）[1]規(guī)定，需進(jìn)行靜力彈塑性分析。

圖1 某工程結(jié)構(gòu)主體三維示意圖

用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算所得結(jié)構(gòu)特性詳見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)整體信息表

圖2 某工程典型樓層軸測(cè)圖

2 定義靜力彈塑性分析荷載工況

1）在進(jìn)行靜力彈塑性分析之前，先定義結(jié)構(gòu)的初始內(nèi)力狀態(tài)，考慮結(jié)構(gòu)的初始荷載?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010）[2]3.11.4中規(guī)定，復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行施工模擬分析，以施工全過(guò)程完成后的內(nèi)力狀態(tài)為初始狀態(tài)，因此，定義恒載加0.25倍活載為結(jié)構(gòu)的初始豎向荷載。

2）本工程選用層剪力的模式模擬側(cè)向荷載的加載，以便能夠真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際的地震力分布，從而獲得結(jié)構(gòu)的水平加載能力曲線。電算中先用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)各樓層的樓層剪力，并由各樓層的層間剪力計(jì)算得出的水平荷載，作為下一步側(cè)向荷載的分布形式。

3 定義靜力彈塑性鉸

1）為保證本工程靜力彈塑性分析的準(zhǔn)確性，在模型中選用具有非線性鉸特性的彎矩-旋轉(zhuǎn)角梁柱單元。各構(gòu)件主要分為以下3種情況。

（1）框架梁：主要考慮內(nèi)力成分為My

（2）框架柱：主要考慮內(nèi)力成分為My，并考慮柱子軸力與兩個(gè)方向彎矩的疊加作用，鉸內(nèi)力關(guān)系為P-M-M相關(guān)。

（3）剪力墻采用纖維模型。

2）梁、柱單元力和變形的關(guān)系曲線選用FEMA曲線，用以定義框架鉸的非線性特性值[3]。

圖3 FEMA曲線示意

圖3中，A-B區(qū)段為彈性區(qū)段，經(jīng)過(guò)屈服點(diǎn)B后，B-C區(qū)段開(kāi)始進(jìn)入應(yīng)變強(qiáng)化階段，在此區(qū)段內(nèi)構(gòu)件剛度為初始剛度的5%～10%，此時(shí)開(kāi)始對(duì)相鄰構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力重分配；c點(diǎn)為構(gòu)件的極限承載力，下降段C-D為構(gòu)件初始破壞階段，此時(shí)構(gòu)件的主筋斷裂、混凝土破裂。點(diǎn)E為極限變形狀態(tài)，此時(shí)構(gòu)件無(wú)法繼續(xù)承受重力荷載。同時(shí)，在B-C區(qū)段內(nèi)，還出現(xiàn)了幾個(gè)單獨(dú)設(shè)定的控制點(diǎn)，分別是IO（ImmediateOccupancy）可立即使用極限狀態(tài)、LS（LifeSafety）生命安全極限狀態(tài)、CP（Collapse Prevention）防止倒塌極限狀態(tài)，用以區(qū)分不同的設(shè)防水準(zhǔn)要求[4]。

4 罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)整體評(píng)價(jià)

4.1 性能點(diǎn)處的最大層間位移角和大震作用下的基底剪力

在進(jìn)行靜力彈塑性分析設(shè)計(jì)后，可得到結(jié)構(gòu)X、Y方向的能力譜-需求譜曲線。因文章篇幅關(guān)系，僅以Y方向?yàn)槔M(jìn)行說(shuō)明。在推覆的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)在推覆第21步出現(xiàn)（見(jiàn)圖4）。

圖4 Y方向能力譜-需求譜曲線

圖5 Y方向極限層間位移角

由Y方向性能點(diǎn)處極限層間位移角（見(jiàn)圖5）數(shù)據(jù)分析可知，在罕遇地震作用下，最大層間位移角出現(xiàn)在第4層，約為樓總高的1/184，小于規(guī)范要求大震不倒的1/100，滿足大震不倒要求。

在性能點(diǎn)處，結(jié)構(gòu)主體在罕遇地震作用下的最大基底剪力約為78 000kN（見(jiàn)圖6），相比于用反應(yīng)譜法得出的多遇地震下的基底剪力35 109kN（見(jiàn)表1），比值約為2～3倍之間，較為合理。

圖6 Y方向最大基底剪力

4.2 性能點(diǎn)處的框架鉸狀態(tài)

如圖7所示，以Y方向?yàn)榇碚f(shuō)明，在性能點(diǎn)處，框架鉸的出鉸位置大部分在梁端，體現(xiàn)了強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)思路，且根據(jù)樓層鉸數(shù)量的統(tǒng)計(jì)表格結(jié)果顯示，框架梁鉸中83%以上呈彈性，約12%梁鉸呈B（屈服）階段，LS（life safety生命安全）階段不足1%；框架柱中，92%以上柱鉸成彈性，約7%柱鉸屈服，無(wú)呈破壞狀態(tài)柱鉸。

圖7 性能點(diǎn)處Y向框架鉸狀態(tài)

根據(jù)框架較狀態(tài)圖（見(jiàn)圖7）和統(tǒng)計(jì)表格（見(jiàn)表2、表3），可直觀反映出在罕遇地震作用下，大部分框架構(gòu)件完好無(wú)損，呈彈性階段；約12%梁端輕微損壞，出現(xiàn)裂縫，進(jìn)入塑性階段，但塑性程度較淺。梁柱無(wú)嚴(yán)重破壞，因此,可以判定整個(gè)框架體系布置較為合理。

表2 FEMA梁鉸狀態(tài)統(tǒng)計(jì)表

表3 FEMA柱鉸狀態(tài)統(tǒng)計(jì)表

4.3 性能點(diǎn)處的墻鉸狀態(tài)

圖8 性能點(diǎn)處Y向墻混凝土應(yīng)變等級(jí)

如圖8所示，以Y方向?yàn)榇碚f(shuō)明，在性能點(diǎn)處，剪力墻破壞位置基本出現(xiàn)在連梁，充分發(fā)揮出了連梁作為耗能構(gòu)件的作用。90%以上的剪力墻混凝土應(yīng)變等級(jí)處于三級(jí)以下；底層局部剪力墻應(yīng)變等級(jí)達(dá)到四級(jí)至五級(jí)，混凝土被壓碎，暴露出了結(jié)構(gòu)的薄弱部分，此部分墻體將在設(shè)計(jì)和施工時(shí)予以加強(qiáng)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)靜力彈塑性分析，對(duì)本工程在罕遇地震作用下進(jìn)行變形研究，反應(yīng)出結(jié)構(gòu)在大震作用下的彈塑性受力性能。用施加單調(diào)增加的水平荷載方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行推覆，以FEMA為骨架曲線考慮框架鉸的變形特性，模擬真實(shí)受力情況定義構(gòu)件的塑性鉸位置。以結(jié)構(gòu)的實(shí)際配筋進(jìn)行分析，找到性能點(diǎn)后，分析結(jié)構(gòu)的受力和變形特點(diǎn)，明確結(jié)構(gòu)的薄弱部位，并評(píng)估整體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能。得知主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震工況下位移滿足規(guī)范限值，框架鉸的分布滿足“強(qiáng)柱弱梁”的概念設(shè)計(jì)要求；底部墻體鋼筋未屈服，局部混凝土被壓縮，發(fā)現(xiàn)了在設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)的部位，對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)深化能起到指導(dǎo)作用。

【1】GB50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

【2】JGJ3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

【3】汪大綏,賀軍利,張鳳新.靜力彈塑性分析(PushoverAnalysis)的基本原理和計(jì)算實(shí)例[J].世界地震工程,2004,20(1):45-53.

【4】趙繼,高德志,侯曉武.MidasBuilding靜力彈塑性分析原理及實(shí)現(xiàn)[J].建筑結(jié)構(gòu),2013,43(1):836-841.

Ultra-limit Structure Pushover Analysis in Eight Degree Earthquake Area

ZHANGEr-xuan,LIPei

(1.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture，Beijing 100044,China; 2.Huachengboyuan(Beijing)ArchitectureDesign&Urban Planning Co.Ltd.，Beijing 100052,China)

Thisprojectanalyzesthestaticelastic-plasticitybyapplyingtheMidasBuildingstructuredesignsoftware,andsummarizesthe damagefeaturesofthestructureundertherareevent ofearthquake.Thispaperwill testand verifywhetherthespecificationlimitissatisfied afterfindingtheultimateinter-storydisplacementangleattheperformancepointandwillanalyzesafetyofthestructureandrationalityofthe layoutbycountingtheframeworkcondition.Theobservationaboutthestrainlevelofthewallconcretecanleadtothevulnerablespotsinthe verticalmembers,whichcanbesuitablyreinforcedinthedesigndevelopmentphase.

staticelastic-plasticity;plastichinge;performancepoint

TU313

A

1007-9467（2016）07-0044-03

2016-03-25

張尓旋(1988～)，男，北京人，助理工程師，從事混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究，（電子信箱）13488804703@126.com。