某高層住宅大震作用下結構整體性能評價

洪承禹 （安徽省施工圖審查有限公司，安徽 合肥 230000）

為達到建筑物受罕遇地震影響時，不發生倒塌或嚴重破壞的抗震設計目標，通常采用以抗震性能為基準的設計思想和以位移為基準的設計方法。

基于結構性能的抗震設計方法是使被設計的建筑物在使用期間滿足各種預定功能或性能目標要求，使抗震設計從宏觀定性的目標向具體量化的多重目標過渡，具體來說就是對結構進行復雜的非線性地震反應分析，通過對結構各構件及結構整體性能的研究，得到結構系統在地震下的反應，以證明結構可以達到既定的性能目標。

結構喪失穩定以致倒塌一般是由于重力作用在有過大側向變形的結構上所引起的，這種效應被廣泛稱為“P-Δ”效應。因而達到防倒塌設計目標的中心思想是限制結構的最大總彈塑性變形在規定的限值以內。

1 工程概況

某6度區高層住宅地下3層，地上60層，剪力墻結構，建筑高度約190m，抗震設防類別為標準設防類，標準層平面見圖1。根據本工程結構特點和超限類型并征詢業主的意見，按照《高層建筑混凝土結構技術規程》第3.11節，本工程抗震性能目標選為C；各地震工況下的性能水準依次為1、3、4。

圖1 標準層平面圖

本文對該工程進行罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析，研究結構在大震作用下的基底剪力、頂點位移、層間位移角等綜合指標，評價結構在大震作用下的力學性能。

2 分析方法

采用有限元軟件Midas Building對本工程進行動力彈塑性時程分析，考慮以下因素。

①幾何非線性：結構的動力平衡方程建立在結構變形后的幾何狀態上，可以精地考慮“P-Δ”效應、非線性屈曲效應、大變形效應等非線性影響因素。

②材料非線性：直接在材料應力-應變本構關系的水平上進行模擬，真實地反映了材料在反復地震作用下的受力與損傷情況。

③采用直接積分，可以準確模擬結構的破壞情況直至倒塌形態。

3 非線性地震反應分析結構模型[4]

3.1 剪力墻模擬

剪力墻采用的是基于材料本構的纖維束模型，用不同的纖維束分別模擬混凝土和鋼筋材料。

3.2 鋼筋/型鋼混凝土梁模擬

鋼筋/型鋼混凝土梁采用的是基于構件的非線性模型，其塑性損傷采用集中的塑性鉸來模擬，塑性鉸采用的是PM鉸。

3.3 阻尼比取值

結構阻尼采用瑞雷阻尼，選擇T=0.25T和，在5%的阻尼比下計算質量矩陣和剛度矩陣比例系數α和β的數值，隨著地震波的輸入，結構部分構件進入塑性狀態，程序自動更新阻尼矩陣。

4 地震波選取

本工程選取了兩條天然波及一條人工波。地面運動峰值加速度：125cm/s(主方向)；106.3cm/s(次方向)。地震波有效持續時間不小于5倍基本周期；地震波輸入時間間隔0.02秒。大震彈性時程分析基底總剪力值與規范振型分解反應譜法計算基底總剪力值滿足規范要求的多條地震波計算所得結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%，單條地震波計算底部剪力不小于65%的要求。所選波基本滿足規范要求的多組時程波計算的平均譜與振型分解反應譜法計算所用的規范譜相比在統計意義上相符的要求。

5 結構整體性能評價

5.1 基底剪力時程曲線

圖2～圖3為大震地震波（天然波1）作用下結構基底剪力時程(彈性時程和彈塑性時程對比)，本文僅列出天然波1作用主方向的基底剪力時程。

圖2 天然波1X主方向基底剪力時程

圖3 天然波1Y主方向基底剪力時程

X方向和Y方向情況有所不同：①從結構的平面尺寸和構件布置可知，結構的X方向平面尺寸較長，但除個別幾道長墻肢外，均為小墻肢，靠較多的框架梁和連梁等耗能構件連接而成形成抗側力體系；Y向平面尺寸較短，但幾乎均為長肢墻，耗能構件較少。②本工程X向風荷載下基底剪力、傾覆力矩和小震水準下計算結果基本相當，但是Y向為顯著的風控，風荷載作用下基底剪力、傾覆力矩和中震水準下計算結果基本相當，因此在彈性計算時風荷載控制也使得Y方向結構的抗震承載力有較大的富余。③在地震波作用的初始數秒，結構仍然處于彈性階段，彈性和彈塑性分析基底剪力基本吻合；隨著時間的推移，地震作用的加大，輸入能量逐步累積，結構也相繼進入塑性，地震力也出現相應的偏差。X方向進入塑性更為明顯，周期延長顯著，Y方向彈塑性基底剪力和彈性基底剪力時程曲線趨勢基本一致，數值差距不大，說明Y方向的抗側剛度削弱不明顯，Y方向的抗側力構件(剪力墻和耗能構件)進入屈服階段的數量較少。

5.2 頂點位移時程曲線

圖4～圖5為大震地震波（天然波1）作用下結構頂點位移時程(彈性時程和彈塑性時程對比)，本文僅列出天然波1作用主方向的頂點位移時程。可見，在地震波作用的初始數秒，結構仍然處于彈性階段，彈性和彈塑性分析頂點位移基本吻合；隨著時間的推移，地震作用的加大，輸入能量逐步累積，結構也相繼進入塑性，結構周期延長，頂點位移也出現相應的偏差。從各條波作用下頂點位移時程來看，結構仍然處于直立狀態，滿足大震不倒的要求。

圖4 天然波1X主方向頂點位移時程

圖5 天然波1Y主方向頂點位移時程

5.3 最大層間位移角曲線

圖6～圖7分別為三組大震地震波作用下結構各樓層最大層間位移角曲線，本文僅列出地震波作用主方向的層間位移角。可見，各樓層層間位移角最大值均滿足1/120的限值要求。

圖6 X主方向層間位移角曲線

圖7 Y主方向層間位移角曲線

5.4 結構屈服機制

由于計算分析的波較多，本文僅給出天然波1作用下結構屈服情況。從圖7可以看出剪力墻均未進入屈服階段，下面僅通過耗能構件塑性鉸在不同時刻的開展情況直觀了解結構的屈服機制。

圖8～圖14給出地震波作用不同時刻框架梁及連梁的塑性開展情況，由圖可見：在5s時，部分框架梁及連梁出現塑性鉸，但鉸狀態均為第1屈服狀態，即混凝土開裂；在15s時，結構的中下部區域的耗能構件已經進入第2屈服狀態，即梁內縱筋屈服，可有效參與耗能；在30s時，進入第2屈服狀態的耗能構件數量進一步增多，在結構的上部區域也陸續出現塑性鉸；30s之后新增的塑性鉸數量不是太多(見圖11)，最終時刻進入第2屈服狀態的塑性鉸數量約占64%。頂部框架柱并未出現塑性鉸，剪力墻未進入屈服階段。

圖8 剪力墻受壓應變等級

圖9 5s時耗能構件整體屈服狀態

圖10 15s時耗能構件整體屈服狀態

圖11 30s時耗能構件整體屈服狀態

圖12 20層框架梁及連梁（梁單元）5S時屈服狀態

圖13 20層框架梁及連梁（梁單元）15S時屈服狀態

圖14 20層框架梁及連梁（梁單元）30S時屈服狀態

可見，連梁作為結構抗震第一道防線，在地震作用下能迅速進入損傷階段，并在整個地震過程中保持耗能作用，有效保護了剪力墻肢免受破壞，結構有合理的屈服機制，有較好的耗能能力。

6 結語

通過大震動力彈塑性分析結果表明：結構體系在罕遇地震作用下整體變形(最大樓層層間位移角)小于規范最大值1/120的允許限值；結構體系擁有合理的屈服機制，有較好的耗能能力。可見，本工程結構構件在大震下均能達到預定的性能目標，滿足大震不倒的設防要求。