風雨操場建筑基于中震性能設(shè)計的抗震分析?

樂風江，段一非，肖 明，季歡歡

(1.新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830017；2.十堰市公路養(yǎng)護中心，湖北 十堰 442011；3.新疆凱盛建材設(shè)計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

我國現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是基于能力設(shè)計的小震彈性設(shè)計法，對于風雨操場這一類建筑結(jié)構(gòu)一般不做大震下的結(jié)構(gòu)分析與驗算.風雨操場類建筑通常采用上部網(wǎng)架下部混凝土框架的混合結(jié)構(gòu)體系，對這種結(jié)構(gòu)體系如果只進行小震下的彈性設(shè)計，由于結(jié)構(gòu)空曠和兩種結(jié)構(gòu)體系的混合，其在中震和大震作用下的抗震性能較為復雜，可靠性能難以保證.

中震設(shè)計是比小震設(shè)計更為全面地考慮性能設(shè)計的一種設(shè)計方法，在國外規(guī)范如美國UBC94、新西蘭NZS4203、日本BSL、歐洲Eurocode 8中被廣泛運用[1?3].隨著國內(nèi)基于性能設(shè)計理論體系的完善，我國GB 50011―2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《抗規(guī)》）[4]引入兩種設(shè)防烈度地震下的性能設(shè)計方法――中震彈性設(shè)計和中震不屈服設(shè)計.中震彈性設(shè)計指的是取設(shè)防烈度地震影響系數(shù)計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和構(gòu)件承載力，按不考慮地震效應(yīng)調(diào)整的設(shè)計值復核.中震不屈服設(shè)計指的是取設(shè)防烈度地震影響系數(shù)，不考慮地震作用效應(yīng)的調(diào)整，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力按標準值進行復核.按中震彈性設(shè)計時，取消了內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，保留荷載分項系數(shù)，材料強度按照材料的設(shè)計強度取值，這種設(shè)計方法保留了結(jié)構(gòu)的安全可靠度，構(gòu)件在中震下處于彈性狀態(tài).采用中震不屈服設(shè)計方法時，設(shè)計的構(gòu)件在設(shè)防烈度地震影響系數(shù)作用下通常會達到彈性的極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用的鋼筋、混凝土等材料取材料強度的標準值[5?6].對中震設(shè)計是否能夠提高結(jié)構(gòu)抗震性能，國內(nèi)學者有著不同看法[7?10].同時，中震性能設(shè)計尚未在風雨操場類結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到應(yīng)用，中震性能設(shè)計對該結(jié)構(gòu)體系的合理性研究也較少見.中震性能設(shè)計相比小震彈性設(shè)計能否有效保證風雨操場類建筑結(jié)構(gòu)的大震性能，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計者找到一種在中震、大震下抗震性能更加明確和較為方便的設(shè)計方法，值得進一步研究.

本文選取單層帶附屬框架的風雨操場建筑結(jié)構(gòu)，通過小震彈性設(shè)計、中震彈性設(shè)計及中震不屈服設(shè)計分別建立有限元模型，進行動力彈塑性時程分析，對比其動力響應(yīng)以研判結(jié)構(gòu)的抗震性能.

1 風雨操場混合結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 工程概況

新疆某單層帶附屬框架風雨操場結(jié)構(gòu)，比賽大廳部分層高8.1 m，附屬框架部分首層層高4.2 m，二層層高3.9 m.屋蓋采用上弦支承正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu).乙類設(shè)防，抗震設(shè)防烈度為8度（0.3 g），第三組，場地類別為Ⅱ類.整體結(jié)構(gòu)采用YJK結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件按小震設(shè)計法進行設(shè)計，并按《抗規(guī)》通過抗震技術(shù)措施以滿足中震、大震性能要求，其模型簡稱為M1，網(wǎng)架部分采用MST2010進行滿應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計后導入YJK模型.結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示，梁、柱、網(wǎng)架桿件截面尺寸見表1.混凝土強度等級為C30，箍筋和縱筋采用HRB400，網(wǎng)架鋼管采用Q235-B.計算得到M1的橫向最大層間位移角：1/650（第2層）；縱向最大層間位移角：1/576（第2層）.

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置

表1 M1、M2、M3構(gòu)件截面尺寸

風雨操場建筑的大空間結(jié)構(gòu)部分，法向剛度較為柔弱.采用小震彈性設(shè)計時，由于對中震、大震性能的判斷依據(jù)不足，常常憑經(jīng)驗采用較大的柱截面尺寸，認為以此可以提高對大震性能的保證，但通常會導致柱軸壓比和配筋率較低.為了充分說明中震設(shè)計的可行性，在保證模型小震彈性位移角不小于1/550的同時，對梁柱截面尺寸進行調(diào)整，以適當增加柱軸壓比、減小柱截面而改善結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性和美觀性為目的，進行中震性能設(shè)計，中震彈性設(shè)計模型簡稱M2，中震不屈服設(shè)計模型簡稱M3，截面尺寸見表1，M2、M3構(gòu)件截面尺寸一致.計算得到M2、M3模型小震作用下的橫向（X向）最大層間位移角：1/615（第2層）；縱向（Y 向）最大層間位移角：1/551（第2層），更接近于位移角限值1/550.

1.2 工程量分析

由于不同性能目標下樓板的工程量基本相同，因此只統(tǒng)計梁、柱的工程量，鋼筋用量如表2所示.

表2 下部框架鋼筋用量統(tǒng)計

由表2可知，M2相比M1梁鋼筋用量增加12.2%，柱鋼筋用量增加19.3%，M3相比M1梁鋼筋用量增加4.92%，柱鋼筋用量增加14.2%，截面配筋率均有所增加，其中：M2的第一層柱鋼筋用量相比M1減少了1.8%，第二層柱鋼筋用量增加高達54.5%.這是由于與小震彈性設(shè)計相比，中震彈性設(shè)計取消了構(gòu)件的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，實際上相當于取消了“強柱弱梁”“強剪弱彎”等抗震概念設(shè)計所要求的內(nèi)力調(diào)整[7]，從而導致一層梁配筋反而增加，一層柱配筋甚至略有減?。涣硗?，中震彈性設(shè)計采用設(shè)防地震烈度值，相當于放大了2.85倍地震作用，因此二層柱配筋大幅度增加.在局部構(gòu)件截面減小的情況下，中震彈性設(shè)計較小震彈性設(shè)計鋼筋用量增加小于20%，中震不屈服設(shè)計較小震彈性設(shè)計鋼筋用量增加小于15%，均可在工程應(yīng)用中實現(xiàn)，中震性能設(shè)計用于風雨操場類結(jié)構(gòu)經(jīng)濟上可行.

2 有限元分析

2.1 模型建立

利用YJK-ABAQUS接口程序?qū)⒔⒌哪Ｐ娃D(zhuǎn)為ABAQUS有限元模型，梁、柱構(gòu)件及網(wǎng)架桿件采用三維梁單元B32模擬，樓板采用殼單元S4R模擬，混凝土本構(gòu)采用我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010―2010)[11]建議的混凝土單軸本構(gòu)模型，鋼材本構(gòu)采用理想彈塑性模型，結(jié)構(gòu)三維有限元分析模型如圖2所示.兩個軟件算得的M1、M2、M3的總質(zhì)量差值分別為0.352%、0.706%和0.573%；前六階周期差值小于6%，驗證了從YJK轉(zhuǎn)入ABAQUS模型的可靠性，結(jié)構(gòu)周期對比見表3.

圖2 結(jié)構(gòu)三維有限元分析模型

表3 結(jié)構(gòu)周期對比

2.2 地震波選擇

根據(jù)《抗規(guī)》建議選波方法，選取3條地震波：1條人工波（Ren01波），2條天然波（Chi-Chi2977波、Northridge 969波），考慮多向地震作用，按地震動最大峰值加速度比例為沿結(jié)構(gòu)弱軸方向∶沿結(jié)構(gòu)強軸方向∶沿結(jié)構(gòu)豎向=1∶0.85∶0.65調(diào)整.并分別對地震波進行歸一化處理，三條地震動反應(yīng)譜與規(guī)范譜對比如圖3所示.可以看出模型地震波規(guī)范譜曲線與時程反應(yīng)譜曲線在所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)前三階振型周期點上相差均小于20%.

圖3 地震動反應(yīng)譜及規(guī)范反應(yīng)譜

3 抗震性能評估

3.1 性能評估標準

為能夠全面評估小震彈性、中震不屈服、中震彈性設(shè)計結(jié)構(gòu)在中震和大震作用下的抗震性能，本文從結(jié)構(gòu)整體性能和局部構(gòu)件性能兩方面綜合評估.層間位移角與結(jié)構(gòu)的破壞程度有較好的相關(guān)性，《抗規(guī)》規(guī)定鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值為1/550，并在附錄M中給出了小震、中震、大震實現(xiàn)抗震性能要求的位移角參考指標，其中：中震作用下要求性能3、4分別小于2倍和3倍彈性位移角限值，大震作用下性能3、4分別小于4倍彈性位移角限值和不大于0.9倍塑性位移角限值；丁世偉等[12]基于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的損傷演化系數(shù)提出了混凝土構(gòu)件損傷性能評估標準與評估方法，將其轉(zhuǎn)化為ABAQUS損傷因子所對應(yīng)標準見表4.

表4 混凝土構(gòu)件損傷性能評價標準

3.2 中震作用下的分析結(jié)果

中震作用分析時輸入的地震波加速度峰值PGA取300 gal（cm/s2），計算得到M1、M2和M3下部結(jié)構(gòu)在3條地震波作用下平均最大層間位移角分別為1/318、1/459和1/444，其弱軸Y 方向平均最大層剪力及平均傾覆彎矩如圖4、圖5所示，網(wǎng)架平均豎向位移分別為0.044 5 m、0.049 0 m和0.048 9 m，局部構(gòu)件損傷狀態(tài)見表5，混凝土梁損傷平均值分別為0.123、0.100和0.105，混凝土柱損傷平均值分別為0.069、0.032和0.032.

表5 中震作用下構(gòu)件性能狀態(tài)統(tǒng)計

圖4 中震作用下Y 向平均最大層剪力

圖5 中震作用下Y 向平均傾覆彎矩

中震作用下，M1的平均最大層間位移角小于2倍彈性位移角限值，滿足性能3要求，而M2和M3的平均最大層間位移角僅為M1的0.7倍，遠小于M1的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，說明經(jīng)中震性能設(shè)計的模型提高了結(jié)構(gòu)的中震性能.由圖4、圖5可知，M2和M3的結(jié)構(gòu)Y 方向平均最大層剪力與平均傾覆彎矩基本一致，M1的兩項指標相較于M2、M3偏大，說明經(jīng)中震性能設(shè)計的結(jié)構(gòu)減弱了地震作用對其影響.M2、M3的網(wǎng)架豎向位移較M1增加了11%，由于網(wǎng)架豎向變形受下部結(jié)構(gòu)剛度影響，中震作用下，三個模型結(jié)構(gòu)塑性變形較小，仍基本處于彈性階段，M1的下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面比M2、M3大，結(jié)構(gòu)剛度相對較大，對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的約束作用較強，因而豎向位移較小.通過表5從構(gòu)件層次進行性能評估，可以發(fā)現(xiàn)M1、M2和M3的混凝土柱均為無損傷性能狀態(tài)，但M1的柱損傷平均值超過M2、M3的2倍；M1有1.4%的混凝土梁進入比較嚴重損壞.M2、M3最大損壞程度僅為中度損壞，M2、M3中度損壞狀態(tài)梁的數(shù)量達到M1的2～3倍，但梁的損傷平均值卻比較接近.三個模型均能達到中震性能要求.

3.3 大震作用下的分析結(jié)果

大震輸入的地震波加速度峰值PGA取510 gal（cm/s2），計算得到M1、M2和M3下部結(jié)構(gòu)在3條地震波作用下平均最大層間位移角分別為1/157、1/236和1/228，其弱軸Y 方向平均最大層剪力及平均傾覆彎矩如圖6、圖7所示，網(wǎng)架平均豎向位移分別為0.067 0 m、0.057 9 m和0.057 6 m，局部構(gòu)件損傷狀態(tài)見表6，混凝土梁損傷平均值分別為0.212、0.146和0.155，混凝土柱損傷平均值分別為0.167 3、0.082和0.087.

圖6 大震作用下Y 向平均最大層剪力

圖7 大震作用下Y 向平均傾覆彎矩

大震作用下，M1、M2和M3下部結(jié)構(gòu)基本呈現(xiàn)與中震作用下一致的規(guī)律，M1的平均最大層間位移角小于4倍彈性位移角限值，具有明顯的塑性變形，而M2和M3的平均最大層間位移角約為M1的0.67倍，遠小于M1的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求.由圖6、圖7可知，M2和M3的平均最大層剪力與平均傾覆彎矩基本一致，M1的兩項指標同樣大于M2、M3，說明經(jīng)中震性能設(shè)計的結(jié)構(gòu)減弱了地震作用對其影響.上部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在大震作用下呈現(xiàn)出與中震作用下相反的規(guī)律，M2、M3的網(wǎng)架豎向位移較M1減少了14%，這是由于大震作用下，結(jié)構(gòu)進入塑性，結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生退化，此時M1下部混凝土框架結(jié)構(gòu)剛度小于M2、M3，對網(wǎng)架的支承約束作用較弱所致.從表6局部構(gòu)件性能可以發(fā)現(xiàn)，大震作用下，M1的柱構(gòu)件出現(xiàn)中等損壞狀態(tài)，而M2、M3在構(gòu)件截面減小的情況下依舊保證全部為無損傷狀態(tài)，M1柱損傷平均值同樣為M2、M3的2倍；三種模型的梁構(gòu)件均出現(xiàn)嚴重損壞狀態(tài)，但M1梁損傷平均值遠大于M2、M3，M1的梁構(gòu)件整體損壞程度基本大于M2、M3，僅中度損壞狀態(tài)構(gòu)件豎向小于M2、M3，中震設(shè)計具有更好的大震性能.

4 結(jié)論

基于中震性能設(shè)計的單層帶附屬框架的風雨操場建筑結(jié)構(gòu)相較小震彈性設(shè)計，結(jié)構(gòu)總配筋用量增加不大，中震作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角更小，中震性能可以得到有效保證；大震作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角及梁柱損傷平均值遠小于小震彈性設(shè)計，可以提高結(jié)構(gòu)的大震性能.將中震彈性設(shè)計和中震不屈服設(shè)計應(yīng)用于風雨操場建筑有助于保證結(jié)構(gòu)的中震、大震性能，并能滿足實際工程中的實用性和經(jīng)濟性.