郝成義（安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230001）

花園賓館主樓彈塑性變形驗(yàn)算分析

郝成義（安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230001）

合肥花園賓館改擴(kuò)建一期工程主樓需進(jìn)行抗震專項(xiàng)審查，大震作用下必須進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算。文章對(duì)該工程的動(dòng)力彈塑性變形驗(yàn)算進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究，驗(yàn)算結(jié)果中塑性位移角、塑性鉸出現(xiàn)規(guī)律、大震截面抗震驗(yàn)算等滿足抗震性能設(shè)計(jì)要求，對(duì)于近似工程的彈塑性變形驗(yàn)算具有借鑒意義。

彈塑性變形驗(yàn)算；塑性位移角；塑性鉸；抗震性能設(shè)計(jì)。

0 前 言

合肥花園賓館改擴(kuò)建一期工程主樓工程（以下簡(jiǎn)稱“本工程”）高度超過該結(jié)構(gòu)體系A(chǔ)類的最大適用高度以及存在樓板不連續(xù)等情況，所以需作建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查（以下簡(jiǎn)稱“超限審查”）。依據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)［2015］67號(hào)）規(guī)定，本工程需進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)，其中“大震不倒”的目標(biāo)要求本工程進(jìn)行大震下彈塑性變形驗(yàn)算，以滿足規(guī)范要求。

1 工程概況

擬建合肥花園賓館改擴(kuò)建一期工程位于合肥市長(zhǎng)江中路與花園街交口西北角，安徽省政府大門對(duì)面。由主樓、裙房、住宅和地下室四部分組成，總建筑面積154243m2。其中主樓45層，樓高180.3 m，建筑標(biāo)準(zhǔn)層形狀為正方形。本工程主要抗側(cè)力體系為混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，高度超過該結(jié)構(gòu)體系A(chǔ)類的最大適用高度，存在樓板不連續(xù)不規(guī)則，所以需作超限審查。

2 彈塑性變形驗(yàn)算方法

《抗震規(guī)范》及《高層混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程》都規(guī)定了超過 150m的高層結(jié)構(gòu)應(yīng)做彈塑性變形驗(yàn)算，《抗震規(guī)范》規(guī)定可采用靜力彈塑性分析方法或彈塑性時(shí)程分析法等［1］。對(duì)于超限高層，到底采用靜力彈塑性分析還是彈塑性時(shí)程分析，《高層混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程》第3.11.4條做了規(guī)定：“高度不超過150m的高層建筑可采用靜力彈塑性分析方法；高度超過200m時(shí)，應(yīng)采用彈塑性時(shí)程分析法；高度在 150m～200m之間，可視結(jié)構(gòu)自振特性和不規(guī)則程度選擇靜力彈塑性方法或彈塑性時(shí)程分析方法。高度超過300m的結(jié)構(gòu)，應(yīng)有兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)算，進(jìn)行校核”。根據(jù)該條款的條文說明，對(duì)于高度在150m～200m的基本自振周期大于4s的應(yīng)采用彈塑性時(shí)程分析方法［2］。本工程基本自振周期Y向?yàn)?.14s，X向?yàn)?.10s，故需采用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析法。

3 大震下的彈塑性變形驗(yàn)算

3.1 大震作用下的不屈服驗(yàn)算（PKPM等效彈性近似計(jì)算）

大震結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算采用SATWE大震等效彈性方法，為后來的彈塑性變形驗(yàn)算作參考，并復(fù)核核心筒剪力墻抗剪截面。對(duì)本工程進(jìn)行大震不屈服的近似計(jì)算結(jié)果見表一。PKPM中程序?qū)崿F(xiàn)如下：

1）按大震輸入ɑmax（0.50）。大震特征周期Tg=0.40.

2）選中“按大震不屈服做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”。

3）結(jié)構(gòu)阻尼比取0.07。

大震不屈服驗(yàn)算結(jié)果 表1

3.2 動(dòng)力彈塑性變形驗(yàn)算

3.2.1分析方法。

彈塑性時(shí)程分析采用有限元軟件 MIDAS/Building，采用完全法進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析，直接模擬結(jié)構(gòu)在地震力作用下的非線性反應(yīng)，是目前結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析領(lǐng)域最完善的方法。考慮以下因素［3］：

1）幾何非線性 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡方程建立在結(jié)構(gòu)變形后的幾何狀態(tài)上；

2）材料非線性 直接在材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系本構(gòu)關(guān)系的水平上模擬；

3）動(dòng)力方程積分方法 直接積分，可以準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)。

模型采用PKPM轉(zhuǎn)換過來的MIDAS/Building模型進(jìn)行分析計(jì)算，配筋采用Building軟件的初步分析結(jié)果。

3.2.2 地震波選用

地震波的選用根據(jù)結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析結(jié)果，按照《高層混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程》第4.3.5條的原則選擇了3條地震波。含2條天然波（天然波1/user11、天然波2/user22）和1條人工波（人工波1/user33），規(guī)范規(guī)定彈塑性時(shí)程分析宜采用雙向地震輸入，每條地震波選擇雙向地震輸入，共3個(gè)荷載工況。

3.2.3 彈塑性變形驗(yàn)算計(jì)算結(jié)果

1）塑性位移角分析

經(jīng)過MIDAS/Buildin程序整體計(jì)算后，結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性計(jì)算部分結(jié)果詳見表2。從結(jié)果可以看出最大層間位移角：X向?yàn)樘烊徊?1荷載作用下的1/152（22F），Y向?yàn)樘烊徊?荷載作用下的1/151（22F），小于規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角限值1/100［4］。

動(dòng)力彈塑性變形驗(yàn)算塑性位移角 表2

2）位移反應(yīng)分析

結(jié)構(gòu)整體位移計(jì)算結(jié)果見表3。天然波1荷載下的各層層間位移計(jì)算結(jié)果詳見圖1。從結(jié)構(gòu)整體位移以及層間位移各層相對(duì)位移變化曲線平滑，在各變截面處未產(chǎn)生明顯突變。模型最大位移均為天然波 1作用下，X向?yàn)?.14m、Y向?yàn)?.14m；各層層間位移由于局部層高不同，在6F、19F、35F變化較為明顯，各變截面處稍有變化。

動(dòng)力彈塑性變形驗(yàn)算最大頂點(diǎn)位移 表3

圖1 天然波1荷載下的層間位移計(jì)算結(jié)果

圖2 框架梁天然波1的最終出鉸結(jié)果

3）塑性鉸分析

MIDAS/Building 在模型上用圓點(diǎn)顯示分配了雙折線、三折線、四折線鉸類型構(gòu)件上的鉸狀態(tài)。圖形中的比例值為在該項(xiàng)上處于該狀態(tài)鉸的數(shù)量與分配給構(gòu)件的該類型鉸總數(shù)的比值。圖2為框架梁天然波1的最終出鉸結(jié)果；圖3為框架柱天然波1的最終出鉸結(jié)果。驗(yàn)算結(jié)果可以看到隨著地震波荷載的持續(xù)，框架梁鉸持續(xù)增加，框架整體未出現(xiàn)第3階段的屈服鉸，表明構(gòu)件承載能力未出現(xiàn)降低。

圖3 框架柱天然波1的最終出鉸結(jié)果

4）筒體抗剪截面驗(yàn)算

選取最大地震剪力作為計(jì)算剪力，數(shù)值為X向：83727.5kN：Y向：83240.2kN。不考慮剪力墻平面外抗剪能力，即X、Y向剪力僅由該方向剪力墻承擔(dān)。X、Y向剪力墻截面積總面積為44.73m2、41.29m2。

因而對(duì)于底層剪力墻（混凝土等級(jí)C60）有［5］：

以上各變截面處經(jīng)驗(yàn)算均滿足，不再贅述。

根據(jù)上述可以看出核心筒剪力墻滿足規(guī)范對(duì)于大震下的截面抗剪要求。

5）性能設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和超限類型并征詢業(yè)主的意見，選用性能目標(biāo)為D+級(jí)（性能水準(zhǔn)1、3、5）。大震下結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)定性描述為比較嚴(yán)重破壞，塑性變形驗(yàn)算允許層間位移角1/110。具體結(jié)構(gòu)構(gòu)件：框架梁允許進(jìn)入塑性，即截面彎曲屈服，重要框架梁不允許剪切屈服，控制彎曲塑性變形；底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻框架架柱抗剪不屈服，控制塑性變形；非加強(qiáng)區(qū)剪力墻框架柱允許部分抗彎屈服，滿足抗剪截面控制條件。從上述動(dòng)力彈塑性變形驗(yàn)算結(jié)果分析，本工程大震下滿足整體結(jié)構(gòu)滿足抗震性能設(shè)計(jì)要求，能做到“大震不倒”［6］。

5 結(jié) 論

合肥花園賓館改擴(kuò)建一期工程主樓工程因?yàn)楦叨瘸抟约皹前宀贿B續(xù)等不規(guī)則需進(jìn)行抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。大震下需進(jìn)行動(dòng)力彈塑性變形驗(yàn)算，對(duì)塑性位移角、塑性鉸結(jié)果、截面抗剪驗(yàn)算進(jìn)行分析研究，結(jié)果證明本工程整體結(jié)構(gòu)滿足性能設(shè)計(jì)要求，能做到“大震不倒”目標(biāo)。對(duì)于近似工程的彈塑性變形驗(yàn)算具有借鑒意義。

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

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

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

［4］GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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

TU313

A

1007-7359（2016）02-0180-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.063

郝成義（1981-），男，安徽六安人，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)，碩士；工程師，國(guó)家注冊(cè)一級(jí)結(jié)構(gòu)工程師。