某高層建筑罕遇地震下的靜力彈塑性分析

胡立黎 易建文 駱貴波

(浙江杭蕭鋼構股份有限公司，浙江杭州 310003)

0 引言

罕遇地震是一種突發的、破壞性非常大，甚至具有毀滅性質的自然災害，無法進行可靠預測，只能進行積極的預防。通常，在罕遇地震作用下，房屋結構會進入彈塑性受力狀態。因此，為保護人民的生命財產安全，就需要對房屋結構在彈塑性工作狀態下的性能進行分析研究。目前，《建筑抗震設計規范》[1]中抗震設計主要是“小震設計”:保證多遇地震作用時在結構不壞的前提下，通過調整構件內力和合理的構造措施來保證罕遇地震作用下的結構整體延性，達到“大震不倒”設防目標。可是，汶川地震震害表明[2]，采用彈性地震反應分析結果去保證“設防地震”或者“罕遇地震”作用下結構的地震反應，具有很大的經驗性，也無法完全保證結構實現罕遇地震的設防目標。隨著計算機技術的迅速發展和結構性能設計理論的不斷完善，使設計者對整體結構進行罕遇地震作用下受力分析成為可能。當前，主要采用靜力彈塑性分析方法和動力彈塑性時程分析方法驗算罕遇地震作用下結構的地震反應。

本文采用靜力彈塑性方法對某純鋼結構的高層建筑進行罕遇地震作用分析。

1 靜力分析法

靜力分析法，也稱Push-over法，是國際上最早形成的抗震分析方法。中國、歐洲、日本和美國等國家都將其作為有效的抗震性能評價方法納入規范[3]。

其基本思路:

依據實際情況施加水平力于結構，隨著水平力增加使各構件依次進入塑性。當個別構件進入塑性階段后，整個結構的特性也會相應改變。此時，需要再次調整水平力的大小和分布，以適應結構需要。如此，直到整體結構出現預定的破壞現象(比如結構成為機構或者最大層間位移超過要求)。

水平力施加方法包括倒三角形分布、均勻分布、拋物線分布、冪級數分布、模態加載和自適應側向荷載模式等[4-6]。倒三角形分布適用于以第一振型為主的結構體系，并假定結構各層加速度沿高度呈線性分布。荷載均勻分布，假定結構各層側向力與該層質量成正比，相當于結構在地震作用下每層的加速度均相同。拋物線分布是水平力沿著高度成拋物線形狀加載方式，能夠較好地反映結構在地震作用下的高振型影響。

指數分布是:

指數k的取值為:

其中，T為結構基本周期，它在一定程度上考慮了高振型的影響。自適應側向荷載模式可采用振型分解譜平方和開平方(SRSS)計算結構各層層間剪力的方法或者根據結構側移或振型的變化調整結構側向力分布。

2 模型概況

本工程地下1層，地上25層，裙房部分局部4層，標準層層高3.6 m，總高度約95 m，總建筑面積約5.7萬m2。基本設防烈度8度(0.17g)，地震分組為第一組，場地類別為第二類。結構體系采用如圖1所示，地下1層～第5層為矩形鋼管內填混凝土柱，其他層為矩形鋼管柱。水平抗側力構件為偏心支撐和中心支撐。在結構端部存在斜柱，每層斜柱傾向角度不同以使結構整體外形構成圓形。

圖1 -1層～5層的結構布置圖

塔樓的剖面如圖2，圖3所示。

圖2 6層以上標準層的結構布置圖

采用PUSH＆EPDA軟件進行Push-over分析，模型如圖4所示。分別對結構兩個主軸方向進行靜力彈塑性分析。在分析的過程中，采用彈性CQC加載方式，并且考慮結構的P-Delta效應。豎向荷載作用在桿間。鋼材采用雙折線的彈塑性本構關系。梁、柱支撐等一維構件采用纖維束模型來進行模擬。判斷塑性鉸按程序內置的鉸特性，鉸截面剛度破壞程度指數應取為0.7(如圖4所示)。

圖3 塔樓的剖面圖

圖4 塔樓的三維分析模型

3 結構性能評價

3.1 性能控制點確定

在罕遇地震作用下，地震參數為:水平地震影響系數最大值取0.77，基本設防烈度8度(0.17g)，地震分組為第一組，場地類別為第二類，特征周期取0.35 s，阻尼比為0.05。X和Y方向的倒塌驗算結果如圖5和圖6所示。

圖5 罕遇地震作用下X方向結構倒塌驗算結果

圖6 罕遇地震作用下Y方向結構倒塌驗算結果

從圖5，圖6中可以得出:

罕遇地震作用下，X向和Y向性能曲線均能穿越地震需求曲線，結構可以得到有效的性能點。結構能力曲線較為平滑，Y方向的結構性能曲線遠高于需求曲線，說明Y方向抗震性能富余較多;X方向的結構性能曲線略高于需求曲線，說明X方向抗震性能較弱，只是略有富余。

綜上所述，結構的安全儲備較大，可以滿足“大震不倒”的抗震性能目標要求。

結構罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角如表1所示。從表1中可以得到:罕遇地震作用下，X和Y方向均能滿足抗震規范要求，且位移角遠小于抗震規范限值。說明結構整體剛度較大，結構地震作用下變形較小;滿足罕遇地震作用下結構彈塑性變形要求，且變形余量較大。

表1 結構罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角

3.2 結構構件的塑性鉸

結構X方向性能點出現在加載第21.6步，Y方向性能點出現在加載第24.8步。性能點處的塑性鉸分布如圖7，圖8所示。

圖7 罕遇地震作用下X向性能點處的塑性鉸分布

圖8 罕遇地震作用下Y向性能點處的塑性鉸分布

從圖7，圖8中可知:X方向上，首先耗能梁出現塑性鉸，然后與柱間支撐相連的框架梁相繼出現塑性鉸，最后個別支撐構件也出現塑性鉸，但框架柱沒有出現塑性鉸。因此，耗能梁發揮了結構“保險絲”的作用，率先耗散能量，隨后框架梁耗散地震能量。Y方向上，兩片支撐之間相連的框架梁率先出現塑性鉸，然后個別支撐出現塑性鉸。兩片支撐之間的框架梁相當于剪力墻的連梁作用，承受地震作用較大，因此最先出現塑性鉸，開始耗散能量。綜上所述，由于框架柱在兩個方向上都未出現塑性鉸，滿足“強柱弱梁”的抗震性能目標要求。

4 結語

采用靜力彈塑性方法，分析了在罕遇地震作用下，某高層酒店結構的地震反應性能。通過結構表明:結構整體剛度較大，結構的性能曲線，彈塑性層間位移角等均能滿足要求，滿足“大震不倒”要求;通過分析塑性鉸出現順序，證明結構滿足“強柱弱梁”的要求。

[1] GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[2] 徐有鄰.汶川地震震害調查及對建筑結構安全的反思[M].北京:中國建筑工業出版社，2009.

[3] 蔡 健，周 靖，禹奇才.建筑抗震設計理論研究進展[J].廣州大學學報(自然科學版)，2005，4(1):65-73.

[4] 胡立黎.水平地震作用下深梁填充鋼框架結構抗震性能研究[D].西安:長安大學，2010:1-12.

[5] 徐龍軍，謝禮立，胡進軍.抗震設計譜的發展及相關問題綜述[J].世界地震工程，2007，23(2):46-57.

[6] 楊 勁，蔣 凡，劉 豐.基于Push-over方法的站房結構抗震性能評估研究[J].建筑結構，2012，42(S2):145-148.

[7] 朱東烽.超限高層建筑罕遇地震下靜力彈塑性分析[J].城市建設理論研究，2012(3):92-94.