某超限框架結(jié)構(gòu)廠房動(dòng)力彈塑性分析及改進(jìn)①

李其成， 吳 珂， 徐 彬， 沈小璞,*

(1.安徽省工業(yè)工程設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230001;2.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)“建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范”GB50011(以下簡稱“抗規(guī)”)第3.6.2條規(guī)定[1]，不規(guī)則且具有明顯薄弱部位可能導(dǎo)致重大地震破壞的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性變形分析，且可以根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用靜力彈塑性分析或彈塑性時(shí)程分析方法。

國內(nèi)外結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析軟件較多，受到業(yè)內(nèi)認(rèn)可軟件如ABAQUS,PERFORM-3D,SAUSAGE,MIDAS,SAP2000等，都是功能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析軟件[2]。SAUSAGE軟件是“CPU+GPU”雙模式計(jì)算的結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析軟件[3]，與其他彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析軟件相比，具有模型轉(zhuǎn)換方便、可直接采用PKPM軟件系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果、計(jì)算收斂性好等優(yōu)點(diǎn)[4]。

文中使用SAUSAGE軟件，對(duì)某實(shí)際超限框架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，研究該結(jié)構(gòu)在大震作用下的相關(guān)抗震性能指標(biāo)，并給出了改進(jìn)建議。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 材料本構(gòu)關(guān)系

1.1.1 混凝土

混凝土材料采用“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范”GB50010(以下簡稱“砼規(guī)”)確定的單軸本構(gòu)模型[5]，按附錄C公式(C.2.4-1)～(C.2.4-5)計(jì)算。此混凝土材料模型適用于梁、柱和支撐等構(gòu)件，混凝土拉壓應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖1(圖中“受拉為負(fù)，受壓為正”)。

圖1 混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.1.2 鋼 筋

鋼筋采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，適用于梁、柱和支撐等構(gòu)件，單調(diào)加載應(yīng)力應(yīng)變曲線按“砼規(guī)”附錄C公式C.1.2-2計(jì)算。鋼筋單調(diào)受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖2。

圖2 鋼筋單調(diào)加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 柱、梁、板彈塑性模型

文中框架結(jié)構(gòu)主梁、柱和斜支撐均采用Timoshenko梁[6]單元模型，次梁采用考慮剪切變形的經(jīng)典梁修正模型，兩端鉸接的梁、兩端鉸接的斜撐采用桿單元。樓板采用殼單元模擬，該模型基于平板殼元模型。

1.3 阻 尼

SAUSAGE中阻尼參數(shù)項(xiàng)，可選擇基于振型分解的振型阻尼和Rayleigh阻尼。本工程阻尼參數(shù)基于能有效抑制結(jié)構(gòu)高階振動(dòng)[7]的振型分解阻尼。對(duì)于原鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)(改進(jìn)前結(jié)構(gòu))模型阻尼比設(shè)置為5%，計(jì)算振型個(gè)數(shù)取為24個(gè)。對(duì)于改進(jìn)后結(jié)構(gòu)模型，由于增加了鋼支撐，阻尼比設(shè)置為4.5%[8]，計(jì)算振型個(gè)數(shù)仍取為24個(gè)。

1.4 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)與水準(zhǔn)

在SAUSAGE軟件中主要以混凝土受拉壓損傷因子及鋼材的塑性應(yīng)變程度作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[4]。依據(jù)“高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程”JGJ3(以下簡稱“高規(guī)”)第3.11條規(guī)定[9]，將構(gòu)件的損壞程度劃分為無損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴(yán)重?fù)p壞五個(gè)水準(zhǔn)，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見圖3。

其中梁柱εp/εy表示梁柱鋼筋塑性應(yīng)變與屈服應(yīng)變比值上限，梁柱dc表示梁柱混凝土受壓損傷系數(shù)上限，梁柱dt表示梁柱混凝土受拉損傷系數(shù)上限。根據(jù)建筑使用功能和結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，將項(xiàng)目抗震性能目標(biāo)定為D級(jí)。

圖3 SAUSAGE構(gòu)件損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 工程概況

2.1 基本情況

工程項(xiàng)目位于安徽省合肥市，廠房地上6層，第2層和第3層之間有一夾層。房屋總高度為21.950m，使用功能為生活垃圾預(yù)處理，結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。建筑總建筑面積2275m2，建筑占地面積1180m2。

設(shè)計(jì)使用年限為50年，生產(chǎn)類別為丙類，耐火等級(jí)為二級(jí)?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)為三級(jí)。改進(jìn)前結(jié)構(gòu)布置見圖4，結(jié)構(gòu)層號(hào)、標(biāo)高及層高見表1。數(shù)值模擬共建立了8層，其中將夾層也作為一層加進(jìn)了SAUSAGE中分析，模型的嵌固端設(shè)置在基礎(chǔ)頂面。

表1 結(jié)構(gòu)層號(hào)、標(biāo)高及層高表

針對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在結(jié)構(gòu)兩端增加型鋼支撐，鋼支撐采用HW400X400的型鋼，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)布置及支撐布置見圖5。

2.2 工程超限情況

(1)樓板局部不連續(xù)：結(jié)構(gòu)第四層開洞面積約為403m2，該樓層面積約為1008m2，開洞面積占樓面面積的40%。

(2)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度不規(guī)則：結(jié)構(gòu)第二層沿x方向、y方向剛度比分別為0.86,0.65，均小于1。

(3)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：結(jié)構(gòu)二～六層結(jié)構(gòu)層間位移分別為1.40,1.64,1.53,1.51,1.24，均大于1.2。

圖4 結(jié)構(gòu)模型圖及平面布置圖

3 質(zhì)量與動(dòng)力特性[10]

SATWE與SAUSAGE計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量和初始模態(tài)特征周期見表2。初始模態(tài)的誤差最大值為4%，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量誤差為1%，說明了SAUSAGE中建立的數(shù)值模型在精度上是滿足要求的。

表2 總質(zhì)量和周期對(duì)比

圖5 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)模型及支撐布置圖

4 樓層位移與層間位移角

罕遇地震作用下，改進(jìn)前與改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)樓層位移和層間位移角見表3和表4。對(duì)于改進(jìn)前結(jié)構(gòu)，可從表3中看出：在地震作用工況TH002TG045_X下，第七層x方向最大層間位移角為1/49，大于“抗規(guī)”中規(guī)定的鋼筋混凝土框架彈塑性層間位移角限值1/50，即不能能滿足大震不倒的水準(zhǔn)目標(biāo)。而改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下第七層x方向最大層間位移角由1/49降低為1/69，滿足小于層間位移角1/50的限值，說明結(jié)構(gòu)改進(jìn)后模型能夠滿足預(yù)期要求。

圖6 改進(jìn)前、后結(jié)構(gòu)各樓層傾覆力矩

此外，由表3、表4分析可知，改進(jìn)后的框架結(jié)構(gòu)，在x方向和y方向上的最大頂點(diǎn)位移均有大幅度所減小，最大頂點(diǎn)位移減小48.56 %，最大層間位移角減小28.99 %。

表3 改進(jìn)前、后結(jié)構(gòu)x向樓層位移與層間位移角

表4 改進(jìn)前、后結(jié)構(gòu)y向樓層位移與層間位移角

注：工況后綴_a表示結(jié)構(gòu)改進(jìn)前，_b表示結(jié)構(gòu)改進(jìn)后。

(a)改進(jìn)前結(jié)構(gòu) (b)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

(a)改進(jìn)前結(jié)構(gòu) (b)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

5 基底剪力與傾覆力矩

改進(jìn)前、后結(jié)構(gòu)基底剪力見表5，各樓層的傾覆力矩見圖6。由表5分析可知：對(duì)于改進(jìn)前結(jié)構(gòu)，大震下和小震下基底剪力比最小值為2.75，說明原結(jié)構(gòu)具有一定的耗能能力；對(duì)于改進(jìn)后結(jié)構(gòu)，大震下和小震下基底剪力比最小值為6.34，說明改進(jìn)后結(jié)構(gòu)耗能能力有明顯提高。從圖6分析可知，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后在x向、y向傾覆力矩均有所增大。

表5 改進(jìn)前、后結(jié)構(gòu)基底剪力

6 構(gòu)件損傷

在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)在改進(jìn)前、后框架梁、柱損傷情況分析統(tǒng)計(jì)見圖7和圖8。從圖7、圖8的構(gòu)件損傷統(tǒng)計(jì)和分析中可知，改進(jìn)前的框架結(jié)構(gòu)有14%的梁進(jìn)入中度損壞狀態(tài)，有1%的梁進(jìn)入比較嚴(yán)重?fù)p壞狀態(tài)；而框架柱有48%進(jìn)入中度損壞狀態(tài)，7%進(jìn)入比較嚴(yán)重?fù)p壞狀態(tài)。

對(duì)于改進(jìn)后的框架結(jié)構(gòu)，有5%的梁進(jìn)入中度損壞狀態(tài)，而沒有梁進(jìn)入比較嚴(yán)重?fù)p壞狀態(tài)；至于框架柱也只有17%進(jìn)入中度損壞狀態(tài)，并沒有框架柱進(jìn)入比較嚴(yán)重?fù)p壞狀態(tài)。因此，改進(jìn)后的框架結(jié)構(gòu)在大震作用下構(gòu)件的損傷程度明顯下降。

7 結(jié) 論

(1)改進(jìn)前結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角超限，框架柱進(jìn)入比較嚴(yán)重?fù)p壞狀態(tài)，不能滿足D級(jí)抗震性能目標(biāo)。改進(jìn)后的框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層間位移角減小到1/50以下，滿足了規(guī)范要求。進(jìn)入比較嚴(yán)重?fù)p壞狀態(tài)的框架柱也轉(zhuǎn)為中度破壞狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)大震不倒的抗震性能目標(biāo)。

(2)文中的分析與比較結(jié)果可作為類似復(fù)雜框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的借鑒，避免出現(xiàn)類似重復(fù)的問題出現(xiàn)。對(duì)于既有超限工業(yè)廠房框架結(jié)構(gòu)，本工程的改進(jìn)方案具有一定參考價(jià)值。

(3)經(jīng)過反復(fù)測試，數(shù)值分析模型最終選用CPU作為SAUSAGE軟件的求解設(shè)備。因?yàn)樵谑褂肗VIDIA顯卡的GPU進(jìn)行求解時(shí)，出現(xiàn)了計(jì)算速度慢于CPU、計(jì)算過程中程序崩潰等不穩(wěn)定情況。關(guān)于如何正確使用GPU進(jìn)行求解，將是下面要研究的內(nèi)容。