框架結構抗震塑性屈曲安全性評估

摘要：通過對基于性能的地震反應靜力非線性分析方法的原理及實施步驟進行的闡述，分別采用地震反應圖譜法、底部剪應力法和動力時程分析法來對框架結構抗震塑性屈曲安全性進行評估分析。證明這種方法對框架結構的抗震塑性屈曲安全性能做出很好的評估。

關鍵詞：框架結構 抗震塑性 安全性評估

隨著科技進步，如今的建筑物大多采用框架結構體系，但是要求不僅能滿足正常旅工和正常使用下的耐久性要求，還要滿足框架結構抗震塑性屈曲安全性要求。這些要求就是結構設計的準則。文章通過分析框架結構體系在水平地震作用下的變形特點，并研究了框架結構體系震塑性屈曲安全性評估方法。

1 地震作用下的框架結構受力變形特點

框架結構體系建筑，它的受力點處于震區。一般根據對重力的垂直荷載控制的設計結構來設計較低的框架結構建筑。建筑物高度越高，長寬比越大，垂直載荷在結構設計上的影響就越重要。其次，作為即將成為一個重要的框架結構設計的控制因素，水平荷載的框架結構建筑的影響也會變得越來越大，甚至可能會起到決定性的作用。地震時，雖然框架結構體系受到的主要破壞時由水平振動引起的，但也不能忽略垂直振動。在設計過程中，我國目前采取的措施是只考慮水平振動的作用。假設下圖中那個高度為H的豎向構件是一棟建筑物，那么它在地震中的受力變形特點如圖1.1所示。

圖中，橫向力矩M=I/3qH2，水平荷載頂點側向位移是：△=11qH4/120EI，豎向荷載產生的軸向力為N=WH，其中W代表結構的單位米質量，EI代表彎曲程度。軸向力與高度成正比是顯而易見的，并且隨著建筑物高度平方的增加，而彎矩是相應成正比的，而頂點位移是隨著高度四次方增加而增加的。顯然對于框架結構體系建筑來說，高度越高的建筑，水平振動的破壞程度越大，已經成為了框架結構體系設計的關鍵點了。當然，在軸力的作用下，框架柱也會產生豎向形變，這也是構成結構總變形的一部分，甚至會是結構出現整體變形的情況。圖1.2很好地描述了多高層框架結構體系被水平振動破壞的情形。

2 地震災害作用的效應分析

在受到地震作用時，框架結構體系由于其結構復雜，其效應分析的難度也變得很大。而一般建筑物的材料都有鋼筋混凝土結構，它是由兩種性能差別非常大的鋼筋和混凝土這兩種材料構成的，他們的彈塑性性能變化給研究框架體系在地震時的效應分析加大了難度。各個國家建筑界目前研究條件還不夠，只能通過采用彈性理論和方法來進行研究，結果只能大概估計，這種研究成果的可靠性并不是很強，有待加強。

3 框架結構抗震塑性屈曲安全性評估方法研究現狀

早在上個世紀九十年代，部分美國學者就提出了抗震屈曲安全性評估方法，這是一種基于性能的框架體系抗震安全性研究方法。為了找到科學的方法來提高框架結構體系的抗震能力，學者研究了結構從彈性變到彈塑性然后到破壞甚至倒塌的過程，研究在小震作用和大震作用時結構的彈塑性變化情況，并進行了分析。

在一般情況下，分析框架結構建筑物的震動響應和破壞現象通過利用動態時程來進行分析方法來是很理想的。但另一方面，這種方法對專業理論水平要求極高，并且數據繁冗，處理過程及其枯燥，而且建筑物結構構成復雜，地震本身隨機性強，這種方法在工程中的運用并不十分廣泛。

一種基于性能的框架結構體系抗震性能評估方法實用性很強，是一個強有力的工具，并且廣為流傳，即靜態非線性分析方法，也稱Pushover方法。目前全世界對這種方法在工程界的應用還處于起步階段，我國雖然相關規范中有所提及，但是技術相當不成熟，對它的進一步研究尚在進行中，但是某些實用而且著名的結構分析軟件都加入了靜力非線性分析的功能，比如ETABS、SAP2000以及MIDAS等等。這種方法雖然應用不是很廣泛，但是他結果精確又便于操作，以后必將在工程實踐中得到廣泛應用。

4 框架結構抗震塑性屈曲安全性評估方法-靜力非線性分析評估方法

4.1 基本原理 用靜態非線性分析方法來分析框架結構體系抗震塑性屈曲安全性的基本思路是通過建立框架結構體系在地震時的負載模型來模擬實際地震力水平作用情況時的真實框架結構體系建筑。具體操作方法是通過持續增加側向力，是建筑物承受一定的壓力而達到某個目標位移值，或者是依據建筑物倒塌來判定。并根據實驗得到的數據進行處理，繪出載荷-位移曲線圖，并結合已有的彈塑性反應圖譜來進行綜合理解，研究出框架體系抗震屈曲安全性性能快速評估的方法。總而言之，靜態非線性分析的操作原理是是：在理想狀況下，實際的框架結構體系相當于一個單自由度體系，要想知道框架體系在地震時的彈塑性反應的整個過程，就必須知道它的地震作用狀態下的反應控制指標。這種方法是通過研究模型的彈塑性反應來反推它在地震時的控制指標，達到研究目的。

4.2 具體操作過程 以下三個環節構成了靜力非線性分析方法的基本的三個部分：①建立地震水平振動時框架結構體系受力模型，并繪出其荷載-位移圖；②再根據框架結構體系的彈塑性反應來反推其受水平地震時的反應控制目標值；③進行安全性評估。

4.2.1 荷載-位移圖的繪制流程。①確定框架結構體系計算分析模型；②對框架結構體系模型加豎向荷載(一般是重力荷載)，再加某種水平荷載，讓一個或一批構件都進入屈服狀態；③對上一步已經屈服的構件，采取一定方法使其剛度矩陣改變，以及在它上面加載水平荷載直至它的形態破壞，形成新結構，如此往復，對其他的構件采取同樣的操作方法；直到所有構件被改變和框架結構體系已經被破壞為止。記錄這個過程中得到的所有不同荷載的反應數據，反推其彈塑性反應各過程的先后順序；⑤繪制載荷-位移曲線。

4.2.2 模型的構建及其反推原理。要判斷圖上某一點是不是目標位移，就要通過上一步實驗得出的荷載位移圖，并轉換處理框架結構體系的承載能力和外力作用來得出。查出規范設計規定的允許變形，將其與目標位移進行比較，就可以評估出框架結構體系建筑的抗震塑性屈曲安全性。這種方法的具體實施方法有目標位移法和承載力譜法兩種，但它們的實質都在于用等價的單自由度來替換真實地震時的多自由度反應，來研究其在地震作用下的安全性。

目標位移發的基本過程是在修正有效剛度位移值的時候，要采取靜力非線性分析法，并去一定的系數來確定目標位移。這是從美國聯邦緊急救援事務署文件FEMA一273中使用過的方法，取框架結構體系頂層的最大位移作為目標位移，并進行下一步的分析。

承載力譜法是通過建立框架結構體系能力譜反應曲線和框架結構體系需求譜曲線，這是美國應用技術協會推薦使用的方法。其中框架結構體系需求曲線是用譜加速度譜位移來表示的，是由地震輸入得到的標準加速度反應譜的來的，另外一條結構框架體系能力譜曲線也是用譜加速度-譜位移來表示的，但是是由荷載位移曲線進行推導。當它們處于同一坐標系下的時候，結構抗震性能點或者稱為目標位移點就是兩條曲線的交點。

4.2.3 對框架結構體系的安全性進行評估。框架結構體系抗震屈曲安全性評估方法有三種：①按時程分析非線性層間的位置變形，結合承載力所對應的恢復力模型，看這種位置變形是否符合設計規定；②查出框架結構體系承載力曲線上對應點的層剪力位移角，與規范規定的允許層間位移角進行比較，看是否符合設計規范；③在同一坐標下重新建立能力譜與需求譜兩條曲線，根據規范規定位移允許值和其目標位移值的比較結果來驗證其是否在允許變形范圍內。

5 結論

本文中框架結構體系在地震作用下的安全性評估方法是不盡完善的。結構抗震是一種空間整體的行為，如今的建筑物都有填充墻，這點在本文中被忽略了。此外，框架結構體系建筑在實際的工程過程或者使用過程中除了受到水平地震的作用，還遭受著多線地震作用，而本文并沒有考慮這一點，因此對框架結構體系的全面抗震性能研究還需要進一步加強。

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