大跨度預應(yīng)力混凝土框架動力彈塑性時程分析

蔣志成,李 晨

(安徽建筑大學土木工程學院,安徽 合肥 230000)

1 工程概況

本文采用某綜合訓練館的實體項目,位于安徽省合肥市。按照建筑功能要求,本工程采用大跨度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),一層層高是7.9米,二層層高是6.7米,三層層高是9.4米,柱網(wǎng)為橫向 8.7m和11.1m，縱向為2跨30m, 其中一樓和二樓的2跨30m框架均采用連續(xù)預應(yīng)力大梁,屋頂縱向為60m大跨。此外,分析模型只采用了整個結(jié)構(gòu)的部分,且屋頂?shù)匿摼W(wǎng)架不納入建模,采用建立虛梁來完成屋頂面荷載的傳導和有限元中考慮對結(jié)構(gòu)整體效應(yīng)的影響。

該建筑所處的地區(qū)為7度抗震設(shè)防,設(shè)計基本加速度值為 0.15g,設(shè)計地震分組為第一組,二類場地土。特征周期為0.35s。結(jié)構(gòu)安全等級為二級,設(shè)計使用年限為50年?；炷两Y(jié)構(gòu)的環(huán)境類別：地下部分環(huán)境類別為二類,地上部分為一a類。地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級。

在Midas Building進行有限元分析,其中的梁和柱采用有限元軟件Midas中的梁單元,預應(yīng)力梁采用的混凝土材料強度為C40,普通鋼筋砼梁和砼柱采用C30混凝土。樓板采用面單元模型,材料強度為C30的混凝土。預應(yīng)力筋的強度標準值為fptk=1860N/mm2,預應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力σcon=0.75fptk=1395N/mm2。經(jīng)過計算預應(yīng)力損失為張拉控制應(yīng)力的25%,那么有效預應(yīng)力值為1046MPa。因為工程結(jié)構(gòu)中的實際地震荷載是在有恒載和活載施加后的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行布控的,所以在MIDAS/Building軟件中,勾選“使用初始荷載：1×DL(恒載)+0.5×LL(活載)”,所以本次動力時程分析將選用此荷載設(shè)置作為其初始步的起始荷載。彈塑性模型規(guī)模為：節(jié)點數(shù)834,單元數(shù)：2243,梁鉸數(shù)315個,柱鉸數(shù)117個。

圖1 整體模型圖

關(guān)于地震波的選取原則,在《抗規(guī)》(GB 50011—2010)中有很詳細地論述,該規(guī)范從頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間這三個方面做出了具體規(guī)定。本文動力時程分析時考慮到合肥歷史上未有強震記錄,并按照《抗規(guī)》中這三項要求,從Midas Building軟件自帶的地震波中選取了一條有代表性的地震波,即TH1TG040(1987,sfs-48-w)。

地震波加速度峰值取為220gal。地震波記錄的波形圖見2,該地震波的特征周期0.4秒,有效峰值加速度0.4136g(放大系數(shù)1.1659),持續(xù)時間37.84秒?？紤]模型在靜力分析中,預應(yīng)力大梁全部沿Y向布置,X向和Y向剛度存在差異,故地震波采用單向X向加載和單向Y向加載相結(jié)合。

2 罕遇地震下結(jié)構(gòu)的動力時程反應(yīng)的結(jié)果

2.1 結(jié)構(gòu)的層間位移角

圖2 TH1TG040地震波

圖3 X向地震作用下的層間位移角

圖4 Y向地震作用下的層間位移角

根據(jù)上述圖 3和圖4,得出地震波作用下最大層間位移角：在所選X向地震波作用下,結(jié)構(gòu)的最大層間位移角分別為：0.0082；在所選Y向地震波作用下,結(jié)構(gòu)的最大層間位移角分別為：0.00725。且可以發(fā)現(xiàn),在兩個方向上都是頂層的層間位移角最大,這是因為頂層的層高相比其他層較大而且層剪力值大。

由我國抗震規(guī)范(GB50011-2010),對罕遇地震作用下的層間位移角有限值要求,其中鋼筋砼結(jié)構(gòu)不得超過1/50。所以文中結(jié)構(gòu)在X和Y方向彈塑性層間位移角均滿足規(guī)范的規(guī)定。

2.2 結(jié)構(gòu)的頂點位移時程曲線

從X、Y向地震作用下頂點位移時程曲線圖中表明,結(jié)構(gòu)在X向地震 波作用下頂點位移最大為0.08m和-0.09m；在Y向地震下為0.08m和-0.10m。結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)頂點位移較大,主要是所選波前期振幅較大,到了中后期振幅不大,對結(jié)構(gòu)的影響較小。結(jié)構(gòu)在兩個地震下的最大頂點位移比較接近而且位移時程曲線和所選地震波的總體趨勢保持一致。

2.3 結(jié)構(gòu)在地震波作用下塑性發(fā)展狀況

按照FEMA356規(guī)范規(guī)定,LS階段(Life Safety)梁允許的塑性轉(zhuǎn)角是0.02,柱LS階段允許的塑性轉(zhuǎn)角是0.01,柱IO階段(Immediately Occupancy)塑性轉(zhuǎn)角是0.003。通過地震作用下結(jié)構(gòu)的框架鉸變形圖可得,在X向地震下,本結(jié)構(gòu)的梁鉸的最大塑性轉(zhuǎn)角變形是0.00929；本結(jié)構(gòu)的柱鉸的最大塑性轉(zhuǎn)角變形是0.00858；在Y向地震下,本結(jié)構(gòu)的梁鉸的最大塑性轉(zhuǎn)角變形是0.00143；本結(jié)構(gòu)的柱鉸的最大塑性轉(zhuǎn)角變形是0.00104。也就是說在所選罕遇地震下,本結(jié)構(gòu)的梁在處于LS階段,以及柱在處于IO階段,都滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計所設(shè)定的性能指標。

由地震作用下結(jié)構(gòu)的框架鉸變形圖可以看出,在罕遇地震作用下,無論是X方向還是Y方向,結(jié)構(gòu)都沒有構(gòu)件進入破壞階段。大部分框架柱保持完好,只處于第一階段即開裂未屈服,非預應(yīng)力梁絕大部分進入了屈服階段,預應(yīng)力梁都未達到屈服,還處于彈性階段。由此可以看出,達到了強柱弱梁的設(shè)計目標。

3 結(jié)語

通過軟件的動力彈塑性分析功能,對大跨預應(yīng)力訓練館的模型進行了動力時程分析,文中動力彈塑性最終計算結(jié)果可看出各指標都小于規(guī)范中相應(yīng)的限值。該大跨預應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)的非預應(yīng)力梁發(fā)生塑性變形,預應(yīng)力梁基本完好,符合“強柱弱梁”的設(shè)計要求,且水平位移較大,具備一定的延性。