罕遇地震作用下結構動力彈塑性分析的探討

陳 敏

(貴陽建筑勘察設計有限公司，貴州貴陽 550081)

彈塑性時程分析方法將結構作為彈塑性振動體系加以分析，直接按照地震波數據輸入地面運動，通過積分運算，求得在地面加速度隨時間變化期間內，結構的內力和變形隨時間變化的全過程，也稱為彈塑性直接動力法。

1 目的和工程概況

本文以某工程大震彈塑性計算分析結果，對結構在罕遇地震下的抗震性能進行評價，論證該結構能夠實現“大震不倒”的抗震性能目標。

具體內容概括如下:

1)該工程主要用途為酒店和辦公樓，結構總高160 m，平面主要尺寸為37 m×35 m，結構采用剪力墻的結構形式，《高規》中第5.1.13條規定“B級高度的高層建筑、混合結構和復雜高層建筑結構，宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補充計算”。本工程屬于超過《高規》表3.3.1-2中B級最大適用高度的一般不規則結構，需要做彈塑性動力分析;

2)罕遇地震彈塑性時程分析采用PF3D，輸入了3組三向地震波(USER1，USER2和USER3)進行分析。按照《抗規》的規定，地震波水平方向主、次及豎向分量加速度峰值的比值為1∶0.85∶0.65，地震波主分量加速度峰值取220 cm/s2，次分量峰值為187 cm/s2，豎向分量峰值為143 cm/s2。進行該分析主要目的是考察在罕遇水準地震作用下結構彈塑性的發展歷程、彈塑性變形和構件的損傷程度，并對構件能否達到預期性能水準進行評估;

3)本結構體型復雜，因此要驗證水平地震作用下結構的傳力途徑和特點，判斷關鍵部位的地震損傷情況;判斷該結構主要抗側力構件的彈塑性損傷位置的分布和柱端PMM鉸是否出現和變形等;

4)在設防要求的基礎上，提供優化結構設計的依據。

2 整體模型構成

整體模型是用三維非線性結構分析軟件Perform3D建立，結構模型非線性數據依據Etabs模型和PKPM模型計算分析及配筋。梁采用彈性桿+轉角型塑性鉸的模型來模擬其非線性變形特征，梁配筋信息依據Etabs計算結果(根據中國相關規范計算得出的配筋結果)，并根據抗震設計規范和高層建筑混凝土設計規程的計算公式，確定梁端屈服彎矩和轉角，并根據美國ASCE 41-06，Fema 356及中國規范定義其抗震性能目標。墻單元的壓彎非線性定義:對于墻的加載—承載關系的評估，ASCE 41-06中TABALE 6-18提供了可接受的塑性鉸轉動，在Perform3D中采用GAUGE組件對墻體的最不利點作進一步評估。墻單元的抗剪非線性定義由于剪力墻的剪切較易發生脆性破壞，因此墻單元的剪切特性由混凝土彈塑性剪切本構截面組成，考慮剪力墻的剪切非線性。由于本工程所用剪切本構為簡化的考慮剛度退化的本構曲線，未考慮墻體配筋與軸力對本構影響，而中國規范中剪力墻的抗剪承載力不但與剪力墻的水平鋼筋有關，還與剪力墻受到的軸壓力和拉力有關(JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規程7.2.10條和7.2.11條)，因此有必要在計算完之后把剪力墻的剪應力時程曲線提取出來比較剪力墻的抗剪承載力與所受實際剪應力情況。

3 材料的應力應變關系

用塑性纖維模型模擬墻的彈塑性壓彎變形時，需要用到鋼筋和混凝土材料的應力應變關系。Perform3D模型中用雙線型滯回模型模擬鋼筋，并且計入包興格效應，考慮滯回過程中的剛度退化;用三折線模型模擬混凝土壓應力應變關系，根據混凝土規范附錄C的公式和指標來確定相關參數。

4 結構抗震性能水準

根據本工程的重要性，依據《高層建筑混凝土結構技術規程》確定本結構抗震性能目標為C級，抗震性能水準按表1控制。

表1 C級結構設計性能設計目標及震后性能狀態

4.1 模型監測

模型監測分為宏觀監測和微觀監測，宏觀監測指構件層次的性能監測，微觀監測指材料層次的應力、應變監測。宏觀監測:對梁、柱建立轉動GAUGE組件和軸向GAUGE組件，進行梁柱的基于ASCE 41-06準則的性能監測，對墻建立轉動、剪切GAUGE組件，進行墻單元、殼連梁單元、殼轉換梁單元的基于ASCE 41-06準則的轉動、剪切性能監測;對梁定義彎矩—曲率鉸，對柱定義雙向軸力—彎矩—曲率鉸，對鉸承載力進行基于Fema 356準則的延性監測;對樓層定義層間位移角變形監測;對樓層定義截面組，進行層間剪力、彎矩監測。微觀監測:定義混凝土單軸彈塑性本構，對混凝土拉壓性能進行應力—應變監測，定義混凝土剪切彈塑性本構，對混凝土抗剪性能進行應力—應變監測，定義混凝土斜壓彈塑性本構，對混凝土斜壓性能進行應力—應變監測，定義鋼材、鋼筋三折線彈塑性本構，對鋼材、鋼筋進行應力—應變監測。

4.2 加載方式

1)構件配筋信息采用PKPM的計算結果，計算構件的鉸特性值。

2)結構質量通過作用在結構上的荷載轉換為樓層各節點質量形成，可保證質量總量和分布的準確性。

3)基于《安評報告》罕遇地震影響系數曲線長周期段相對于《抗震規范》略低，并考慮到《抗震規范》反應譜對長周期段譜值的提高，地震輸入時仍將地震波的影響作用調高到《抗震規范》的罕遇地震作用等級(即地震動主方向有效峰值加速度調整為220 cm/s2)。記錄波采用了水平雙向地震輸入，主、次方向有效峰值加速度比例為1∶0.85;人工波采用了水平單向地震輸入。

4.3 構件損傷

在罕遇地震下，大部分外框梁以及連接核心筒與框架柱的框架梁進入開裂狀態但未進入屈服，約1/4的框架梁屈服，核心筒內少數鋼筋混凝土梁進入屈服狀態;外圍框架柱在大屋面處出現開裂，裙房框架柱在裙房頂部亦出現裂縫，但均未進入屈服階段，故對這些部位的柱提高縱筋配筋率，以提高其承載力;另外，連接體桁架、次梁以及水平支撐的鋼構件由于采用雙折線鉸，計算未輸出任何狀態則說明構件未屈服，這是由于連體所在的樓層不高，承受的水平力不大;外筒剪力墻剪切應變等級絕大部分小于3級(即最大剪切應變γ＜γ0，γ0如前所述為屈服剪應變)，西塔第10層與跨高比較小的連梁相連的剪力墻，損傷等級達到了5級，故對這些部位的剪力墻提高水平鋼筋配筋率，并驗算了上述樓層剪力墻的抗剪承載力及首層剪力墻的抗剪截面，以保證此薄弱部位抗剪不屈服，設計時取驗算的配筋和多遇地震、設防地震的包絡值。

4.4 罕遇地震作用下分析結論

通過結構在罕遇地震作用下的彈塑性動力時程分析，結合結構整體反應指標和結構構件的抗震性能分析結果，可以得出如下結論:

1)罕遇地震作用下結構基底剪力達到小震基底剪力的4.8倍，地震作用量級合理。

2)結構層間彈塑性位移角均小于規范限值要求。

3)框支柱、框架柱均在彈性工作狀態。

4)框支梁混凝土受壓及鋼筋拉壓均處于彈性工作狀態，沒有做到罕遇地震下抗剪彈性，罕遇地震下受剪截面不滿足規范要求，需要按大震。

5)剪力墻混凝土受壓(正壓、斜壓)及鋼筋受拉均處于彈性應力狀態，沒有發生抗壓及彎曲屈服;頂部個別墻肢(殼梁托墻)局部受剪屈服，需要加強，整體結構不會出現整片墻肢的剪切屈服和破壞。

6)大部分樓層連梁及框架梁梁端進入彎曲屈服狀態，但剪切強度檢測顯示，均未出現框架梁受檢超過規范允許抗剪承載力，連梁剪切鉸檢測顯示，連梁受剪未超規范允許承載力，連梁普遍先于框架梁進入彎曲屈服狀態，結構具有良好的多道防線和耗能體系。

結論:罕遇地震作用下各項設計控制指標可滿足預先設定的抗震性能目標。

［1］陸新征，葉列平.抗震彈塑性分析［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［2］潘志宏.既有建筑結構彈塑性抗震性態評價方法及實現［M］.北京:中國建筑工業出版社，2012.