基于Push－over的結構抗震能力評估

呂劍勇

（廣東科貿職業學院 環境藝術系，廣東 廣州 510430）

0 引 言

對于具備一定抗震能力的建筑結構來說，在小震作用下一般尚處于彈性階段，此時結構中的絕大多數構件不會出現塑性鉸。當遭遇大震時，結構會發生屈服，由彈性階段進入到塑性階段，塑性鉸在構件上會大面積地出現，直到失去承載能力或產生過大變形而破壞。

相對于普通結構體系，帶轉換層結構由于豎向抗側力構件不連續，在大震作用下更容易破壞，因而研究采用何種轉換形式更有利于抗震具有非常現實的意義。

對結構在大震作用下的彈塑性抗震能力進行評估是防止倒塌、減輕震害的前提，而靜力彈塑性分析方法（Push－over）則是實現基于性能設計的有效手段，可以有效地評估結構在大震作用下的極限承載力和模擬結構的破壞過程[1－5]。文中以兩個托柱轉換結構為例，采用Push－over方法進行結構抗震全過程分析，以評估它們的抗震能力。

1 建立計算模型

建立一框架－核心筒結構，如圖1所示。

圖1 結構計算模型

在結構底部，外圍密柱轉換為稀柱，轉換構件分別采用梁和空腹桁架。

采用SAP2000程序對計算模型進行Push－over分析，其主要考慮以下幾點：

1）為簡化分析及出于文中的分析目的，僅對結構的X方向進行Push－over分析；水平力分布模式分別采用均勻分布和倒三角形分布；考慮PΔ效應。

2）為了便于運用SAP2000程序進行非線性分析，將剪力墻轉換成等效柱；對結構進行Pushover分析之前，采用SATWE程序計算出各構件的配筋，以便SAP2000程序計算出各構件的塑性鉸模型曲線。

3）各構件可塑性鉸的設置：對框架梁設置純彎塑性鉸；考慮到轉換梁和空腹桁架上、下弦桿中的軸向力不容忽略，故對其設置壓（拉）彎塑性鉸；對框支柱、空腹桁架腹桿設置壓（拉）彎塑性鉸；由剪力墻轉換成的等效柱設置壓（拉）彎塑性鉸和剪切塑性鉸；此外，由于框支柱的截面較大（接近短柱），對其加設剪切塑性鉸。

4）結構的極限狀態取為頂點位移達到結構總高的2%或結構不能繼續加載。

2 結構破壞過程分析

對計算模型的X方向進行Push－over分析，結果表明，在均勻分布和倒三角形分布的水平力作用下，空腹桁架轉換結構和梁式轉換結構的塑性鉸在結構上的分布有明顯的不同。當結構達到承載能力極限狀態時，在外圍框架、內部核心筒及樓面梁等部位，空腹桁架轉換結構的塑性鉸比梁式轉換結構開展多、分布廣。此外，兩者的框支柱和剪力墻核心筒上都出現了剪切塑性鉸[6－8]。

塑性鉸出現次序如圖2所示。

圖2 塑性鉸出現次序

塑性鉸在各榀抗側力結構上出現的先后次序及破壞過程為：

1）對于梁式轉換：①轉換梁附近幾層框架梁、連接內外筒的樓面梁開始出現少量塑性鉸并緩慢發展，如圖2（a）中“○”所示，此時基底剪力約為極限狀態時的45%；②轉換梁上出現純彎塑性鉸、框支柱出現剪切塑性鉸，同時外圍框架梁上的塑性鉸數量增多，內部核心筒出現剪切塑性鉸并迅速發展導致核心筒破壞，如圖2（a）中“●”所示，此時基底剪力約為極限狀態時的90%；③外圍框架梁出現大面積塑性鉸，與內部核心筒相連的框支柱出現剪切塑性鉸并導致結構整體破壞，如圖2（a）中“◎”所示。

2）對于空腹桁架式轉換：①空腹桁架附近幾層框架梁、連接內外筒的樓面梁開始出現少量塑性鉸并緩慢發展，如圖2（b）中“○”所示，此時基底剪力約為極限狀態時的35%；②空腹桁架下弦出現少量純彎塑性鉸、框支柱出現少量剪切塑性鉸，同時外圍框架梁上的塑性鉸數量增多，內部核心筒出現剪切塑性鉸并迅速發展導致核心筒破壞，如圖2（b）中“●”所示，此時基底剪力約為極限狀態時的60%；③空腹桁架上下弦桿、外圍框架梁上出現大面積塑性鉸，與內部核心筒相連的框支柱出現剪切塑性鉸并導致結構整體最終破壞，如圖2（b）中“◎”所示[6－8]。

從以上結構破壞過程分析中可以看出，梁式轉換的塑性鉸集中出現在第二階段，且破壞過程短促；而空腹桁架轉換結構的破壞過程長，破壞時塑性鉸出現的數量多、分布廣泛，并且大部分塑性鉸出現在第三階段，反映出后者更有利于耗散地震能量，減輕震害。尤其在后期破壞階段，當內部核心筒發生破壞時，空腹桁架轉換結構的整體承載能力仍然有比較大的安全儲備（此時基底剪力僅為極限承載能力的60%，而梁式轉換結構的基底剪力已達極限承載能力的90%），這對于提高結構整體的抗震性能和抗倒塌能力是非常有益的。

3 結構抗震能力分析

對計算模型的X方向進行Push－over分析，分別得到結構在均勻分布和倒三角形分布水平力作用下的基底剪力－頂點位移關系曲線（能力曲線），如圖3所示。

圖3 結構能力曲線

對應于結構出現第一批塑性鉸和結構達極限狀態時的基底剪力見表1。

表1 結構基底剪力 kN

根據圖3和表1可以看出，對于托柱轉換結構，當結構出現第一批塑性鉸時，兩種轉換結構的基底剪力相差不大，說明這兩種結構的彈性抗震能力比較接近，基本上同時進入屈服階段。而當結構到達極限狀態時，采用轉換空腹桁架時的基底剪力要比采用轉換梁時大很多，說明前者的塑性抗震能力要強于后者。又因為前者的塑性鉸開展充分，特別是在后期破壞階段結構仍然具備較大的承載能力，所以相比較于梁式轉換結構，空腹桁架轉換結構更有利于發揮結構的整體作用，具有更強的彈塑性抗震能力。

4 結 語

通過對兩種托柱轉換結構的破壞過程和抗震能力的分析，可以得到以下結論：

1）相對于梁式轉換，空腹桁架轉換結構的破壞過程長，破壞時塑性鉸出現的數量多、分布廣泛；尤其在后期破壞階段，當主要抗側力構件（內部核心筒）屈服后，空腹桁架轉換結構仍然具有較大的整體承載能力。

2）相對于梁式轉換，采用空腹桁架轉換可以更有效地提高結構的極限承載能力，更充分地發揮結構的整體作用，更利于耗散地震能量，從而增強結構的彈塑性抗震能力。

因此，在托柱結構中采用空腹桁架進行轉換是一種行之有效的措施，對于結構在大震作用下減輕震害、防止倒塌大有裨益。

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