某工程在罕遇地震作用下動(dòng)力彈塑性分析

摘要 隨著我國經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)城市中超高層以及復(fù)雜高層建筑越來越多，結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)得到了廣泛應(yīng)用，性能化設(shè)計(jì)中一種重要分析方法就是動(dòng)力彈塑性分析方法。某工程采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，對(duì)該工程進(jìn)行大震作用下動(dòng)力彈塑性分析，闡述了結(jié)構(gòu)在大震作用下屈服及破壞機(jī)制，對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱部位進(jìn)行分析，并驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)在大震作用下的抗震性能。

關(guān)鍵詞 動(dòng)力彈塑性；破壞機(jī)制；性能化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) TU352.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

1工程概況及結(jié)構(gòu)布置

1.1工程概況

重慶軌道五號(hào)線北延伸段獅子山停車場工程4區(qū)3#樓為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)總高78.5m，裙房2層頂面標(biāo)高15.4m，裙房層高2層，塔樓層高22層。由于首層為列車停車場，部分豎向受力構(gòu)件需進(jìn)行轉(zhuǎn)換，根據(jù)建筑功能要求及結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，轉(zhuǎn)換層設(shè)置在第二層，本工程結(jié)構(gòu)計(jì)算嵌固端設(shè)置在基礎(chǔ)頂面。

1.2結(jié)構(gòu)使用年限、安全等級(jí)及抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按規(guī)范相關(guān)要求保證結(jié)構(gòu)具有足夠的耐久性，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年。結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ=1.0［1］。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

本工程場地地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s；本工程場地設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震設(shè)防烈度為6度。根據(jù)勘察資料，建筑場地類別為Ⅱ類，擬建工程抗震設(shè)防類別為丙類（表1、表2）。

1.3主要構(gòu)件截面

主要構(gòu)件截面見表3。

1.4結(jié)構(gòu)主受力體系

本工程無地下室，3#高層建筑高度最高約78.35m，2層裙房，裙房總高度15.4m。嵌固端設(shè)置在基礎(chǔ)頂面。經(jīng)過結(jié)構(gòu)整體傾覆驗(yàn)算。該結(jié)構(gòu)不存在零應(yīng)力區(qū)。

該工程首層為列車停車場，2層為商業(yè)停車場，3～22層為住宅部分，其中，住宅部分豎向受力構(gòu)件需進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層設(shè)置在第二層。地震以及及風(fēng)荷載產(chǎn)生的側(cè)向力主要由框架柱（包含框支柱）以及剪力墻承擔(dān)，各主要受力分體系簡述：

（1）豎向承載體系：帶轉(zhuǎn)換結(jié)體系。

（2）抗側(cè)力體系：3～22層塔樓抗側(cè)剛度由剪力墻提供，結(jié)構(gòu)底部2層抗側(cè)剛度主要由框架柱（含框支柱）以及剪力墻提供。

（3）水平承載體系：采用普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板體系。

（4）本工程裙樓和塔樓均采用普通鋼筋混凝土梁板式樓蓋系統(tǒng)。

1.5結(jié)構(gòu)計(jì)算嵌固端

本工程結(jié)構(gòu)計(jì)算嵌固端設(shè)置在基礎(chǔ)頂面。

1.6結(jié)構(gòu)平面及整體剖面

3#樓高層住宅為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)平剖面布置詳圖1～圖4。

2彈塑性分析

2.1主彈塑性分析概述

3#高層住宅主體結(jié)構(gòu)高度最大為78.35m＜120m，該結(jié)構(gòu)為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，工程地址位于重慶獅子山，屬于6度區(qū)，本工程為A級(jí)高度鋼筋砼高層建筑，并且屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，根據(jù)JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《高規(guī)》）第5.1.13條規(guī)定［2］。需要對(duì)復(fù)雜高層建筑進(jìn)行彈塑性分析，本文中，采用PKPM-SAUSAGE軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，進(jìn)行大震作用下的動(dòng)力彈塑性分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在大震作用下屈服及破壞機(jī)制，對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱部位進(jìn)行分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在大震作用下的抗震性能滿足規(guī)范要求。

2.2彈塑性分析的目的

（1）根據(jù)規(guī)范規(guī)定，需要對(duì)復(fù)雜高層建筑在振型分解反應(yīng)譜法的基礎(chǔ)上進(jìn)行彈塑性分析，綜合比較兩者結(jié)構(gòu)后進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)合理的效果。

（2）動(dòng)力彈塑性分析可以考慮荷載的往復(fù)作用以及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在大震過程中塑性鉸的形成機(jī)制，找出結(jié)構(gòu)在大震作用下的薄弱構(gòu)件并對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，最終使結(jié)構(gòu)滿足大震作用下的性能目標(biāo)［4］。

（3）能夠?qū)σ延械闹匾ㄖ镒龀稣_的抗震消能評(píng)價(jià)，從而從理論上知道現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的抗震加固工作。

2.3構(gòu)件性能目標(biāo)

結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能目標(biāo)應(yīng)根據(jù)地震動(dòng)參數(shù)、構(gòu)件部位以及作用綜合確定，并滿足《高規(guī)》表3.11.2的性能狀況，根據(jù)構(gòu)件在地震作用下不同作用，可以將所有構(gòu)件分為3類，即耗能構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件以及關(guān)鍵構(gòu)件［4］。底部兩層剪力墻及框支框架抗震性能目標(biāo)定為C級(jí)，其余構(gòu)件抗震性能目標(biāo)定為D級(jí)。選取3條地震波（2條天然波，1條人工波）進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)薄弱構(gòu)件采取加強(qiáng)措施見表4、表5。

2.4材料模型及單元類型

PKPM-SAUSAGE軟件是一個(gè)三維有限元空間彈塑性分析程序。鋼材的動(dòng)力硬化模型采用雙線性隨動(dòng)硬化模型，不考慮剛度退化。鋼材的強(qiáng)屈比為1.25，極限應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的極限塑性應(yīng)變?yōu)?.025。凝土本構(gòu)關(guān)系選用彈塑性受壓損傷模型，。框架梁、柱采用梁單元模擬，剪力墻、連梁和樓板采用分層殼模型。

2.53#高層住宅大震動(dòng)力計(jì)算模型

在Sausage軟件對(duì)結(jié)構(gòu)建模分析如圖4所示。

（1）地震波選擇。

根據(jù)《高規(guī)》要求［2］，選擇3條地震波，根據(jù)規(guī)范選擇1條人工波，2條天然波：①人工波1（1號(hào)地震波）；②天然波1（2號(hào)地震波）；③天然波2（3號(hào)地震波）。

（2）3條地震波水平主方向分量有效持續(xù)時(shí)間如表6所示。

（3）條地震波加速度-時(shí)間曲線如圖5所示。

（4）各組地震波的平均加速度反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜的對(duì)比如圖6所示。

（5）模型各個(gè)構(gòu)件配筋率輸入如表7所示。

2.6基底剪力及層間位移角

分別計(jì)算結(jié)構(gòu)在3條地震波作用下基底剪力及位移，X向及Y向的計(jì)算結(jié)果如表8所示。由表可知

基底剪力：各模型罕遇地震動(dòng)力彈塑性分析基底剪力與多遇地震CQC基底剪力的比值位于3.82～6.3倍之間，平均值X方向?yàn)?.12倍，Y方向?yàn)?.63倍，基本處于3～6之間，滿足要求。

層間位移角：根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下彈塑性分析的最大層間位移角為1/300，滿足規(guī)范限值（1/120），轉(zhuǎn)換層最大層間位移角為1/433，滿足規(guī)范限值（1/120）［2］。

2.7結(jié)構(gòu)損傷情況總結(jié)

對(duì)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分別在3條地震波作用下進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析動(dòng)力，根據(jù)其損傷分布結(jié)果，各地震波作用下結(jié)果的損傷結(jié)果差異不大，以2號(hào)天然波為例對(duì)結(jié)構(gòu)損傷情況進(jìn)行分析，圖7～圖12反映出各個(gè)構(gòu)件在2號(hào)地震波作用下出現(xiàn)的損傷情況。

2.8構(gòu)件性能統(tǒng)計(jì)

構(gòu)件性能見表9。

綜合構(gòu)件損傷情況，分析結(jié)果表明：

（1）框架梁：小部分無損壞，大部分處于輕微損壞狀態(tài)，極少部分輕度及中度損壞，有效的起到耗能的作用；達(dá)到罕遇地震作用下性能水準(zhǔn)5的要求。

（2）框支柱：部分處于輕微損壞狀態(tài)，達(dá)到罕遇地震作用下性能水準(zhǔn)4的要求。

（3）裙樓柱：部分處于輕微損壞及輕度損壞狀態(tài)，達(dá)到罕遇地震作用下性能水準(zhǔn)5的要求。

（4）樓板：轉(zhuǎn)換層樓板處于無損壞及輕微損壞，達(dá)到罕遇地震作用下性能水準(zhǔn)5的要求；其余樓板絕大部分無損壞，小部分輕微損壞，達(dá)到罕遇地震作用下性能水準(zhǔn)5的要求。

（5）墻梁即用殼元模擬的轉(zhuǎn)換梁，部分無損壞，超過一半處于輕微損壞情況，極少部分輕度及中度損壞，部分連梁嚴(yán)重?fù)p壞，達(dá)到罕遇地震作用下性能水準(zhǔn)4的要求。

3結(jié)論

通過罕遇地震（大震）作用下的結(jié)構(gòu)分析，可以得出結(jié)論：

（1）大震作用下彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果表明：本工程3#高層住宅X、Y向樓層的最大層間位移角均小于規(guī)范剪力墻結(jié)構(gòu)的的限值1／120。滿足《高規(guī)》中表3.11.3中性能目標(biāo)D（框支框架及底部2層剪力墻為性能目標(biāo)C）關(guān)于罕遇地震作用下彈塑性變形要求［2］。

（2）在大震作用下彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果表明：框支框架及相關(guān)裙樓柱基本完好，關(guān)鍵構(gòu)件僅出現(xiàn)輕微損傷、局部輕度損傷；轉(zhuǎn)換層以上豎向構(gòu)件有不同程度的損傷，局部出現(xiàn)輕度和中度損傷。轉(zhuǎn)換層樓板僅出現(xiàn)輕微損傷，其余樓板基本處于無損傷或者輕微損傷。此結(jié)果表明：在大震作用下，本工程各塔樓的各個(gè)構(gòu)件在大震下均滿足預(yù)定的性能水準(zhǔn)，且轉(zhuǎn)換層以下結(jié)構(gòu)不先于轉(zhuǎn)換層以上結(jié)構(gòu)破壞。在大震作用下，結(jié)構(gòu)整體抗震性能與預(yù)期塑性化過程吻合。

綜上所述，本工程結(jié)構(gòu)整體抗震性能良好，與預(yù)期塑性化過程吻合；本工程框支框架及底部兩層剪力墻能夠達(dá)到預(yù)定大大震性能目標(biāo)4，其余構(gòu)件能夠達(dá)到預(yù)定的大震性能目標(biāo)5。

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