基于ETABS的多層群體住宅建筑抗震性能分析

李繼東

（煙建集團(tuán)第七建筑安裝有限公司，山東 煙臺 264000）

0 引言

群體建筑由多個(gè)建筑單體組成，主要包含住宅建筑和公共建筑，其中住宅建筑的質(zhì)量和穩(wěn)定性尤為重要[1]，因此，建筑的抗震性能則成為重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。抗震性能指的是建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的承載能力、變形能力、耗能能力以及破壞形態(tài)變化情況等[2]。在正常情況下，延性越大的建筑結(jié)構(gòu)，抗震性能越佳，這是因?yàn)檠有栽酱骩3]，建筑結(jié)構(gòu)的變形能力越佳，可降低地震對建筑結(jié)構(gòu)的影響[4]。

ETABS 作為一個(gè)集成化的建筑結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)軟件，以有限元技術(shù)為依據(jù)，在完成高層不同體系類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的同時(shí)[5]，具有荷載計(jì)算、靜動(dòng)力分析、非線性分析等功能，能夠全面掌握建筑結(jié)構(gòu)的彈性時(shí)程以及反應(yīng)譜分析。ETABS具有強(qiáng)大的圖形操作界面，能夠完成復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建；同時(shí)支持多種格式數(shù)據(jù)的文件導(dǎo)入[6]，并具有大量工程模板，為模型構(gòu)建提供全面支撐，并且保證分析結(jié)果的精準(zhǔn)性。因此，本文以清悅山莊群體住宅工程為例，基于ETABS軟件開展多層群體住宅建筑抗震性能的分析。

1 工程概況

清悅山莊工程作為多層群體住宅工程，主要包含A13#、A14#、A18#、A21#、A22#樓工程，建筑規(guī)模36000m2，結(jié)構(gòu)類型為框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。車庫部分地下1層，主樓部分地下3層，地上11層。該工程總建筑面積約36000m2，共包含A13#、A14#、A18#、A21#、A22#5個(gè)住宅樓及1個(gè)地下車庫。A13#樓總建筑面積6680.46m2，建筑高度32.99m；A14#總建筑面積4461.8m2，建筑高度32.99m；A18#總建筑面積4087.35m2，建筑高度32.8m；A21#總建筑面積5688.85m2，建筑高度32.9m；A22#總建筑面積5583.11m2，建筑高度32.9m。基礎(chǔ)形式：A13#、A18#、A21#為筏板基礎(chǔ)；A14#、A22#為樁基+防水板。

2 多層群體住宅建筑抗震性能分析

2.1 基于ETABS的多層群體住宅建筑建模

本文以ETABS軟件為主，構(gòu)建清悅山莊多層群體住宅工程三維模型，該模型在構(gòu)建過程中，利用ETABS軟件對柱、梁端等部分構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用相同單元構(gòu)建空間桿件，最終通過殼體單元完成模型構(gòu)建，模型的構(gòu)建結(jié)果如圖1所示。

圖1 多層群體住宅建筑模型

ETABS軟件在構(gòu)建多層群體住宅建筑模型時(shí)，是以建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸和受力狀態(tài)為依據(jù)完成，同時(shí)能夠按照空間結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的軸向、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)變形情況完成計(jì)算分析。

2.2 地震波選擇

為分析多層群體住宅建筑的抗震性能，結(jié)合多層群體住宅建筑所處環(huán)境以及結(jié)構(gòu)類型，選擇6條模擬地震波，包含人工波和天然波，前者的數(shù)量為2條，用R1和R2表示，后者為4條，用T1、T2、T3、T4表示，地震波信息詳情如表1所示。

表1 地震波信息詳情

在地震模擬過程中，設(shè)定不同地震模擬環(huán)境中的加速度峰值，該設(shè)置分為2種情況，一是罕遇地震，二是多遇地震，前者設(shè)定的數(shù)值為605gal，后者的值為145gal；地震波的持續(xù)時(shí)間為30s，計(jì)算間隔時(shí)間為0.03s；依據(jù)該地震模擬分析建筑的自振特性以及塑性鉸特性的分析，以此完成多層群體住宅建筑的抗震性能分析。

2.3 建筑結(jié)構(gòu)自振特性模態(tài)分析

模態(tài)分析用于判斷建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，是進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)其他動(dòng)力分析的基礎(chǔ)，該建筑結(jié)構(gòu)的重力荷載值采用結(jié)構(gòu)恒載以及樓面活荷載的50%表示。獲取不同振型下建筑結(jié)構(gòu)不同模態(tài)的自振特性，并按照振型參與質(zhì)量不低于總質(zhì)量的90%進(jìn)行判斷，分析結(jié)果如表2 所示。表2中第一階模態(tài)的振動(dòng)方向?yàn)閄向，屬于短向振動(dòng)；第二階模態(tài)的振動(dòng)方向?yàn)閅向，屬于長向振動(dòng)；第三階模態(tài)為整體扭轉(zhuǎn)。

表2 建筑結(jié)構(gòu)不同模態(tài)的自振特性分析結(jié)果

依據(jù)表2分析結(jié)果可知：在不同的周期和振型下，X、Y、Z三個(gè)方向的建筑結(jié)構(gòu)振型參與質(zhì)量不低于總質(zhì)量均在90%以上，表示建筑結(jié)構(gòu)不同模態(tài)的自振特性滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 塑性鉸特性分析

依據(jù)ETABS軟件構(gòu)建的多層群體住宅建筑模型，分析建筑在罕遇地震和多遇地震兩種情況下塑性鉸的變化結(jié)果，由于群體建筑數(shù)量較多，篇幅有限，結(jié)果僅隨機(jī)呈現(xiàn)一棟建筑的分析結(jié)果，如圖2和圖3所示。

圖2 多層建筑的塑性鉸分析結(jié)果

圖3 整體建筑的塑性鉸分析結(jié)果

依據(jù)圖2和圖3測試結(jié)果可知：在罕遇地震和多遇地震兩種情況下，2層建筑在地震作用下，建筑底部核心位置和外框結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯屈服，產(chǎn)生塑性鉸；建筑的整體結(jié)構(gòu)在地震作用下，塑性鉸主要發(fā)生在建筑的下部分。綜合分析結(jié)果，在2種地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)雖然發(fā)生不同程度的塑性鉸，但是，整體結(jié)構(gòu)仍具有較好的承載力，沒有發(fā)生顯著變形和破壞，滿足建筑結(jié)構(gòu)對于罕遇地震的抗震需求。

2.5 剛度退化計(jì)算分析

剛度退化是衡量建筑抗震性能的一個(gè)常用指標(biāo)，其指的是建筑AIIB循環(huán)荷載作用下，當(dāng)其保持在相同峰值荷載時(shí)，峰值點(diǎn)位移的變化情況，以此分析建筑結(jié)構(gòu)破壞情況，其計(jì)算公式為：

式中：

+Pi，-Pi——表示峰值荷載，前者對應(yīng)循環(huán)荷載正向結(jié)果，后者對應(yīng)循環(huán)荷載負(fù)向結(jié)果；

+δi，-δi——正負(fù)兩種峰值荷載對應(yīng)的位移結(jié)果。

獲取建筑在循環(huán)地震荷載下，其剛度退化結(jié)果，如圖4所示。

圖4 建筑剛度退化結(jié)果

依據(jù)圖4測試結(jié)果可知：隨著水平位移的逐漸增加，建筑也逐漸發(fā)生破壞，會形成裂縫并不斷增加，同時(shí)建筑的剛度則逐漸減小；剛度的退化速度和位移軸之間呈現(xiàn)平行狀態(tài)。由于該多層群體住宅建筑主要以框架剪力墻結(jié)構(gòu)為主，混凝土框架剪力墻具有主要承載力，因此，在地震情況下，能夠有效降低建筑構(gòu)件剛度退化速度。

2.6 骨架曲線分析

骨架曲線依據(jù)滯回曲線中各次循環(huán)的峰值荷載點(diǎn)連接形成，能夠衡量建筑結(jié)構(gòu)的變形能力和延性性能，其中延性系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：Δμp和Δμy分別表示彈塑性層間位移和層間屈服位移。

獲取建筑受到地震作用下，隨著位移的不斷增加，建筑X向的骨架曲線變化結(jié)果如圖5所示。

圖5 建筑的骨架曲線結(jié)果

依據(jù)圖5測試結(jié)果可知：在地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)先處于彈性階段，在該階段中建筑結(jié)構(gòu)會形成較小的側(cè)移，此時(shí)地震對于建筑結(jié)構(gòu)的影響較小；隨著地震的持續(xù)作用，建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服階段，此時(shí)建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)位移逐漸增加；隨著位移的不斷增加，建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)入破壞階段，此時(shí)位移大小趨于穩(wěn)定，對應(yīng)的骨架曲線也趨于平緩。建筑結(jié)構(gòu)的整體位移范圍在-120～+120mm之間，在該范圍內(nèi)，建筑沒有發(fā)生明顯破壞點(diǎn)，延性較好，表示建筑具有較好的抗震性能。

3 結(jié)束語

多層群體住宅建筑的穩(wěn)定直接決定建筑的安全性，因此，需保證建筑的抗震性能。本文為分析多層群體住宅建筑的抗震性能，提出基于ETABS的多層群體住宅建筑抗震性能分析方法，通過該方法構(gòu)建多層群體住宅建筑模型，依據(jù)該模型分析建筑的自振特性以及塑性鉸特性，并計(jì)算建筑的剛度退化情況以及骨架變化結(jié)果，判斷建筑的抗震能力。