Pushover 在現(xiàn)役建筑抗震性能評估中的應(yīng)用

郭志勇

強烈地震是世界最嚴重的自然災(zāi)害之一，我國也是世界上遭受地震災(zāi)害最為嚴重的國家之一，當(dāng)前世界各地進入到了一個地震的活躍期，2008年汶川8.0級地震以及2010年青海玉樹7.1級地震都造成了相當(dāng)嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，在建筑物損壞方面，以大開間、大開窗、外走廊的砌體結(jié)構(gòu)和不規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)破壞尤為嚴重。與2011年3月11日日本9.0級大地震相比，我國建筑在地震中的破壞程度要嚴重的多。在國內(nèi)，工程界大都把關(guān)注點放在抗震性能的設(shè)計上，而對現(xiàn)役建筑結(jié)構(gòu)的性能評估關(guān)注較少，如何減輕地震中房屋的破壞程度，最大程度降低震害損失以及保護人民生命財產(chǎn)，有必要建立一套完整評估體系和適合于抗震性能評估的方法。

1 對現(xiàn)役建筑進行抗震性能評估的必要性

抗震設(shè)防是提高建筑物抗震性能的有效途徑，在我國，抗震的設(shè)防主要經(jīng)歷了四個主要階段，而四個階段中各階段抗震設(shè)防的標準都有比較大的不同，從而使得各階段的所建房屋的抗震性能也各有不同。我國現(xiàn)有建筑主要存在以下三個方面的問題:1)大批20世紀80年代以前建造的房屋沒考慮抗震設(shè)防或設(shè)防能力嚴重不足;2)近年一些高層建筑的抗震措施和技術(shù)尚未經(jīng)受過大震的檢驗;3)一些按抗震規(guī)范進行了抗震設(shè)計的現(xiàn)役建筑物，隨著時間的推移結(jié)構(gòu)的很多動力參數(shù)都在變化，其抗震性能也在變化。所以，對諸如此類的建筑物采取相應(yīng)的評估并據(jù)此進行合理的抗震加固，對最大限度的降低震害損失以及保護人民生命財產(chǎn)安全具有重要意義，也對抗震減災(zāi)及房屋抗震評估和鑒定提出了新的任務(wù)和課題。

2 現(xiàn)役建筑抗震評估的方法

在我國，目前抗震性能評估方法主要分為兩大類，即確定性和非確定性評估方法，確定性評估方法仍然是廣泛使用的評估方法，工程界提出了經(jīng)驗評估法、規(guī)范校核法、反應(yīng)譜法、靜力非線性分析等很多種評估方法，通過對各種評估方法進行比較發(fā)現(xiàn)，經(jīng)驗評估法不能反映結(jié)構(gòu)延性性能這一關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)抗震性能指標，更多的是對結(jié)構(gòu)構(gòu)造情況的評估［1］;規(guī)范校核法屬于半經(jīng)驗半分析的一種評估方法［2］。反應(yīng)譜法雖具有很強的實用性，但是該方法具有一定的局限性，僅適用于結(jié)構(gòu)在多遇地震下處于彈性工作階段的評估;彈塑性時程分析方法因計算量大，過程復(fù)雜，因此，此法目前僅在一些重要的、特殊的、復(fù)雜的以及高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震分析中應(yīng)用;而靜力非線性Pushover分析方法［3，4］可以從結(jié)構(gòu)層面和構(gòu)件層面對結(jié)構(gòu)彈塑性性能進行很好的預(yù)測，可以更好的估計結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的非線性變形，并且在與其他幾種分析方法相比時，非線性靜力分析方法能夠提供更多的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件地震反應(yīng)信息和較為穩(wěn)定的分析結(jié)果，減小分析結(jié)果的偶然性，應(yīng)用上來說也相對更簡單，可以節(jié)約分析時間和減少工作量。

3 Pushover方法在抗震評估中的應(yīng)用

3.1 Pushover方法簡介

Pushover法是一種靜力非線性分析法，本質(zhì)上是一種與反應(yīng)譜相結(jié)合的靜力彈塑性分析方法，在國外的研究和應(yīng)用較早，1975年由Freeman等提出了能力譜法的概念［5］，后來，美國和日本學(xué)者提出了基于性能和基于位移的抗震設(shè)計思想，在Pushover法中引入了地震需求譜曲線和能力譜曲線的概念，并促進了Pushover法在結(jié)構(gòu)抗震性能評估等方面的發(fā)展和應(yīng)用。Pushover法的基本原理是以某種方法得到結(jié)構(gòu)在可能遭遇地震作用下所對應(yīng)的目標位移，然后在對結(jié)構(gòu)施加豎向荷載的同時，將表示地震作用的一組水平靜力荷載以單調(diào)遞增的形式作用到結(jié)構(gòu)上，在達到目標位移時停止荷載遞增，最后在荷載終止?fàn)顟B(tài)對結(jié)構(gòu)進行抗震性能評估，判斷是否可以保證結(jié)構(gòu)在該水平地震作用下滿足功能要求。

3.2 工程實例分析

3.2.1 工程概況

某辦公樓建成于1992年，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，共7層，建筑平面尺寸總長為36 m，總寬為22.80 m，結(jié)構(gòu)標準層平面形式及尺寸見圖1。該結(jié)構(gòu)總高23.7 m，底層層高為3.9 m，標準層層高為3.3 m;根據(jù)原始資料的收集及對原結(jié)構(gòu)的鑒定結(jié)果，混凝土強度等級為C25，樓板為現(xiàn)澆混凝土雙向板，板厚100mm。該建筑場地類別為Ⅱ類場地土，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g，設(shè)計地震分組為第二組，場地特征周期為0.40 s。

3.2.2 分析模型

本文采用ETABS軟件根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)基本情況建立了如圖1所示的分析模型，并對其抗震性能進行分析評估。

3.2.3 側(cè)向加載模式

考慮到結(jié)構(gòu)沿X和Y兩個方向抗震性能的不同，以及其他不同的影響因素，本文分別采用兩種不同的加載模式來對結(jié)構(gòu)進行Pushover分析。

1)工況一:恒載工況+X方向的加速度工況;X方向的頂點位移監(jiān)測。2)工況二:恒載工況+Y方向的加速度工況;Y方向的頂點位移監(jiān)測。

3.2.4 分析結(jié)果

對于Pushover分析的結(jié)果，本文將從以下兩個方面來描述:

1)層間位移角。通過對原結(jié)構(gòu)進行分析，得到結(jié)構(gòu)在不同工況下的層間位移角如圖2所示，從圖2中可以看出，該結(jié)構(gòu)在相當(dāng)于相應(yīng)抗震設(shè)防水準地震等級外力作用下的最大層間位移角出現(xiàn)在第三層，分別對結(jié)構(gòu)X向和Y向分析后，得出X向樓層層間位移角曲線如圖2a)所示，Y向樓層層間位移角曲線如圖2b)所示，最大層間位移角為0.00229，在我國現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范中，對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角的限制為1/50，通過比較可知該結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角小于規(guī)范規(guī)定的限值，滿足我國現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范的要求。

2)塑性鉸分布。該結(jié)構(gòu)的塑性鉸首先出現(xiàn)在梁端，這說明該結(jié)構(gòu)滿足強柱弱梁的要求，具有一定的延性能力，框架柱塑性鉸首先出現(xiàn)在底層，發(fā)展順序基本上是從下往上發(fā)展，到達結(jié)構(gòu)的性能點后在四層轉(zhuǎn)角處框架柱出現(xiàn)破壞，這說明該結(jié)構(gòu)在大小相當(dāng)于相應(yīng)抗震設(shè)防水準地震等級外力的作用下，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了破壞，但不至于立即倒塌，能達到大震不倒的抗震要求，③軸線兩方向的塑性鉸分布如圖3所示。

4 結(jié)語

雖然建筑抗震性能的好壞主要取決于建筑抗震的設(shè)防，工程界也把大量的精力用于如何提高建筑抗震設(shè)防，而現(xiàn)狀是人們都居住在已建的建筑物中，對現(xiàn)役建筑物采取相應(yīng)的評估并據(jù)此進行合理的抗震加固具有重要意義。

［1］ GB 50023-95，建筑抗震鑒定標準［S］.

［2］ GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］ Building Seismic Safety Council(BSSC).NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings.FEMA273/274.Developed for the Federal Emergency Management Agency.Washington DC，1997.

［4］ Helmut krawinkler，senviratna G D K.Pros and Cons of a Pushover Analysis of Seismic Performance Evaluation［J］.Engineering Structures，1998(20):452-464.

［5］ Freeman S A，Nicoletti J P，Tyrdl J V.Evaluation of existing buildings for seismic risk-acase study of Puget sound naval shipyard.Bremerton，Washington，Proc.lst U.S.National Conf.Earthquake Engeering.EERI，Berkley，1975.