高少波, 李文君, 張德成, 盧　挺

(1.南充市政府投資非經(jīng)營(yíng)性項(xiàng)目代建中心, 四川南充 637000;2. 中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610000)

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設(shè)防地震作用下對(duì)房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析

高少波1, 李文君1, 張德成1, 盧挺2

(1.南充市政府投資非經(jīng)營(yíng)性項(xiàng)目代建中心, 四川南充 637000;2. 中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610000)

文章針對(duì)某項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)防地震作用下(中震)，采用EPDA軟件進(jìn)行了模型的彈塑性時(shí)程分析，考察在設(shè)防水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性的發(fā)展歷程和構(gòu)件的損傷程度，并對(duì)構(gòu)件能否達(dá)到預(yù)期性能目標(biāo)進(jìn)行校核。

設(shè)防地震；彈塑性時(shí)程分析；性能目標(biāo)

1　工程概況和結(jié)構(gòu)體系

本工程建筑高度約31.2 m，地上4層，地下1層，無(wú)裙樓，平面呈近似正方形。地下室投影尺寸約為114 m×107 m，地下1層主樓范圍之外還另設(shè)局部純地下室。由于建筑功能分區(qū)需要，本項(xiàng)目1～3層標(biāo)高關(guān)系錯(cuò)落不一，混凝土筒體之外采用框架結(jié)構(gòu)。3、4號(hào)混凝土筒體在二層高度范圍內(nèi)(標(biāo)高7.130～13.500 m)設(shè)置局部懸挑桁架。到4層豎向僅保留4個(gè)12.5 m×13.0 m的混凝土筒體，混凝土筒體范圍投影尺寸為65.7 m×65.7 m。利用第4層的高度，混凝土筒體之間采用鋼桁架連接，鋼桁架高度7.5～9.1 m，凈跨約40 m，外挑15～18 m，4層中間設(shè)置局部設(shè)備夾層。本工程高寬比約為0.47，長(zhǎng)寬比約為1.0。地下室底板頂標(biāo)高-7.2～-6.3 m。采用混合結(jié)構(gòu)體系 (鋼筋混凝土筒體—鋼桁架—混凝土框架)，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖1所示。

圖1　工程模型

2　計(jì)算程序和模型假設(shè)

計(jì)算程序?yàn)橹袊?guó)建筑科學(xué)研究院研制的EPDA結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析程序。在PMSAP模塊設(shè)計(jì)配筋的基礎(chǔ)上，自動(dòng)生成用于彈塑性時(shí)程分析的非線(xiàn)性模型，其中梁、柱構(gòu)件采用纖維束模型模擬，剪力墻采用非線(xiàn)性殼單元模擬。分析中，結(jié)構(gòu)的阻尼比取4 %，并考慮了二階效應(yīng)(P-Δ)的影響。

3　選用的地震波

本工程場(chǎng)地及其附近無(wú)斷裂通過(guò)，巖層平緩，屬構(gòu)造穩(wěn)定地塊。按 6 度( 0.05g)設(shè)防考慮。設(shè)防地震下的結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性時(shí)程分析采用天然地震波(N1和N2)和人工波R2共三組地震波作為輸入。人工波R2主分量和次分量的加速度時(shí)程分別如圖2～圖7所示。地震波水平主分量的加速度峰值按照《抗規(guī)》的規(guī)定調(diào)整為51 cm/s2，水平次方向的加速度峰值調(diào)整為43.35 cm/s2。結(jié)構(gòu)阻尼比取0.04。設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類(lèi)別Ⅱ類(lèi)，基本風(fēng)壓值(100年)0.35 kN/m2，風(fēng)荷載體型系數(shù)取為1.3，地面粗糙度B類(lèi)?？拐鸬燃?jí)分為混凝土筒體二級(jí)、鋼桁架三級(jí)、混凝土框架三級(jí)。

圖2　人工地震波R2主分量加速度時(shí)程

圖3　人工地震波R2次分量加速度時(shí)程

圖4　天然地震波N1主分量加速度時(shí)程

圖5　天然地震波N1次分量加速度時(shí)程

4　計(jì)算分析

4.1彈塑性時(shí)程分析

設(shè)防地震水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)在三組地震波輸入情況下的頂層位移如圖8～圖13所示。

圖6　天然地震波N2主分量加速度時(shí)程

圖7　天然地震波N2次分量加速度時(shí)程

圖8　設(shè)防地震非線(xiàn)性時(shí)程分析所得結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程(地震波為N1，X主向)

圖9　設(shè)防地震非線(xiàn)性時(shí)程分析所得結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程(地震波為N2，X主向)

圖10　設(shè)防地震非線(xiàn)性時(shí)程分析所得結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程(地震波為R2，X主向)

圖11　設(shè)防地震非線(xiàn)性時(shí)程分析所得結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程(地震波為N1，Y主向)

圖12　設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程(地震波為N2，Y主向)

圖13　設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程(地震波為R2，Y主向)

結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下的彈塑性層間位移角如圖14所示，X主向和Y主向時(shí)最大層間位移角分別為1/450(第3層)和1/1057(第3層)，分別為規(guī)范彈性層間位移角限值的1.78倍和0.76倍，均小于設(shè)防地震水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)所定位移角限值1/400。

(a)X主向

(b)Y主向圖14　設(shè)防地震作用非線(xiàn)性分析所得結(jié)構(gòu)層間位移角分布

同時(shí)由人工波R2得到剪力墻筒體頂點(diǎn)最大位移值最大為13.6 mm，按單層層高為31.2 m計(jì)算，得到最大位移角為1/2294，也小于設(shè)防地震水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)所定位移角限值1/400。

結(jié)構(gòu)底部剪力時(shí)程如圖15～圖20所示。各組地震波X向底部剪力峰值與相應(yīng)多遇地震水準(zhǔn)時(shí)底部剪力峰值之比的平均值為1.49，Y向?yàn)?.14。設(shè)防地震和多遇地震的主分量加速度峰值之比為2.83。X主向和Y主向設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)底部剪力峰值與相應(yīng)的多遇地震作用下結(jié)構(gòu)底部剪力峰值之比均小于加速度峰值之比，表明結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下部分連梁出現(xiàn)塑性鉸后，結(jié)構(gòu)剛度有所下降，結(jié)構(gòu)部分耗能機(jī)制已經(jīng)形成，吸收的地震作用較相應(yīng)的彈性結(jié)構(gòu)有所減小。

圖15　設(shè)防地震非線(xiàn)性分析所得結(jié)構(gòu)底部剪力時(shí)程(地震波為N1，X向)

圖16　設(shè)防地震非線(xiàn)性分析所得結(jié)構(gòu)底部剪力時(shí)程(地震波為N2，X向)

圖18　設(shè)防地震非線(xiàn)性分析所得結(jié)構(gòu)底部剪力時(shí)程(地震波為N1，Y向)

圖19　設(shè)防地震非線(xiàn)性分析所得結(jié)構(gòu)底部剪力時(shí)程(地震波為N2，Y向)

圖20　設(shè)防地震非線(xiàn)性分析所得結(jié)構(gòu)底部剪力時(shí)程(地震波為R2，Y向)

4.2結(jié)構(gòu)彈塑性發(fā)展歷程

在設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大位移時(shí)刻X方向和Y方向裂縫分布及變形分別如圖21、圖22所示。第一時(shí)間步時(shí)刻，鋼筋混凝土混凝土筒體頂部就已經(jīng)出現(xiàn)了少量豎向裂縫(該裂縫為重力荷載作用下桁架上弦桿傳來(lái)的拉力所致)，隨著豎向地面運(yùn)動(dòng)加速度的變化，混凝土筒體頂部出現(xiàn)豎向裂縫的范圍逐漸增大，部分混凝土筒體連梁和鋼次梁出現(xiàn)塑性鉸。在設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)剪力墻僅頂部和中部有鋼桁架大懸挑的墻肢混凝土出現(xiàn)豎向裂縫，其余部位未發(fā)生屈服。主桁架上下弦桿、框架梁、框架柱均不屈服，僅邊次桁架下弦桿與主桁架交點(diǎn)處部分出現(xiàn)了塑性鉸。2～6層部分筒體的連梁以及少量鋼次梁出現(xiàn)了塑性鉸，耗散了輸入結(jié)構(gòu)的地震能量。

圖21　設(shè)防地震下頂點(diǎn)最大位移時(shí)刻X方向裂縫分布及變形

圖22　設(shè)防地震作用下頂點(diǎn)最大位移時(shí)刻Y方向裂縫分布及變形

5　結(jié)論

在設(shè)防水準(zhǔn)地震作用下，彈塑性時(shí)程分析法的結(jié)果均表明:結(jié)構(gòu)的側(cè)移指標(biāo)(層間位移角)滿(mǎn)足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展主要表現(xiàn)為混凝土筒體連梁和鋼次梁出現(xiàn)塑性鉸。在設(shè)防地震作用下筒體僅頂部和中部有鋼桁架大懸挑的墻肢混凝土出現(xiàn)豎向裂縫(該裂縫為重力荷載作用下桁架上弦桿傳來(lái)的拉力所致)，其余部位未發(fā)生屈服。主桁架和框架柱均不屈服，僅次桁架部分出現(xiàn)了塑性鉸。各結(jié)構(gòu)構(gòu)件及整體結(jié)構(gòu)在設(shè)防水準(zhǔn)地震作用下能夠滿(mǎn)足預(yù)定的性能目標(biāo)要求。

[1]中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司.南充市博物館建設(shè)項(xiàng)目超限高層抗震專(zhuān)項(xiàng)審查報(bào)告[R].2014.

[2]GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

TU311.41

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[定稿日期]2016-02-26