張尓旋，李培

(1.北京建筑大學，北京100044；2.華誠博遠（北京）工程設(shè)計集團有限公司，北京100052)

某8度區(qū)超限辦公樓靜力彈塑性分析

張尓旋1，李培2

(1.北京建筑大學，北京100044；2.華誠博遠（北京）工程設(shè)計集團有限公司，北京100052)

本工程運用MidasBuilding結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行靜力彈塑性分析，總結(jié)出結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的破壞特點。找到性能點處的極限層間位移角，并驗證是否滿足規(guī)范限值要求；通過統(tǒng)計框架鉸狀態(tài)，分析結(jié)構(gòu)的安全性和布置的合理性；觀察墻體混凝土的應變水平，可找到豎向構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計深化環(huán)節(jié)中適當加強。

靜力彈塑性；塑性鉸；性能點

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.007

1 工程概況

本工程位于北京市，抗震設(shè)防烈度為8度，三類場地;框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地上 12層，地下 3層；總建筑面積為60000m2，地上總高度為41.5m（見圖1）。建筑的使用功能主要是辦公和相應區(qū)域配套用結(jié)構(gòu)主體體型呈工子型（見圖2），共有5項不規(guī)則，屬超限結(jié)構(gòu)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）[1]規(guī)定，需進行靜力彈塑性分析。

圖1 某工程結(jié)構(gòu)主體三維示意圖

用振型分解反應譜法計算所得結(jié)構(gòu)特性詳見表1。

表1 結(jié)構(gòu)整體信息表

圖2 某工程典型樓層軸測圖

2 定義靜力彈塑性分析荷載工況

1）在進行靜力彈塑性分析之前，先定義結(jié)構(gòu)的初始內(nèi)力狀態(tài)，考慮結(jié)構(gòu)的初始荷載?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010）[2]3.11.4中規(guī)定，復雜結(jié)構(gòu)應進行施工模擬分析，以施工全過程完成后的內(nèi)力狀態(tài)為初始狀態(tài)，因此，定義恒載加0.25倍活載為結(jié)構(gòu)的初始豎向荷載。

2）本工程選用層剪力的模式模擬側(cè)向荷載的加載，以便能夠真實地反應實際的地震力分布，從而獲得結(jié)構(gòu)的水平加載能力曲線。電算中先用振型分解反應譜法計算結(jié)構(gòu)各樓層的樓層剪力，并由各樓層的層間剪力計算得出的水平荷載，作為下一步側(cè)向荷載的分布形式。

3 定義靜力彈塑性鉸

1）為保證本工程靜力彈塑性分析的準確性，在模型中選用具有非線性鉸特性的彎矩-旋轉(zhuǎn)角梁柱單元。各構(gòu)件主要分為以下3種情況。

（1）框架梁：主要考慮內(nèi)力成分為My

（2）框架柱：主要考慮內(nèi)力成分為My，并考慮柱子軸力與兩個方向彎矩的疊加作用，鉸內(nèi)力關(guān)系為P-M-M相關(guān)。

（3）剪力墻采用纖維模型。

2）梁、柱單元力和變形的關(guān)系曲線選用FEMA曲線，用以定義框架鉸的非線性特性值[3]。

圖3 FEMA曲線示意

圖3中，A-B區(qū)段為彈性區(qū)段，經(jīng)過屈服點B后，B-C區(qū)段開始進入應變強化階段，在此區(qū)段內(nèi)構(gòu)件剛度為初始剛度的5%～10%，此時開始對相鄰構(gòu)件進行內(nèi)力重分配；c點為構(gòu)件的極限承載力，下降段C-D為構(gòu)件初始破壞階段，此時構(gòu)件的主筋斷裂、混凝土破裂。點E為極限變形狀態(tài)，此時構(gòu)件無法繼續(xù)承受重力荷載。同時，在B-C區(qū)段內(nèi)，還出現(xiàn)了幾個單獨設(shè)定的控制點，分別是IO（ImmediateOccupancy）可立即使用極限狀態(tài)、LS（LifeSafety）生命安全極限狀態(tài)、CP（Collapse Prevention）防止倒塌極限狀態(tài)，用以區(qū)分不同的設(shè)防水準要求[4]。

4 罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)整體評價

4.1 性能點處的最大層間位移角和大震作用下的基底剪力

在進行靜力彈塑性分析設(shè)計后，可得到結(jié)構(gòu)X、Y方向的能力譜-需求譜曲線。因文章篇幅關(guān)系，僅以Y方向為例進行說明。在推覆的過程中，結(jié)構(gòu)的性能點在推覆第21步出現(xiàn)（見圖4）。

圖4 Y方向能力譜-需求譜曲線

圖5 Y方向極限層間位移角

由Y方向性能點處極限層間位移角（見圖5）數(shù)據(jù)分析可知，在罕遇地震作用下，最大層間位移角出現(xiàn)在第4層，約為樓總高的1/184，小于規(guī)范要求大震不倒的1/100，滿足大震不倒要求。

在性能點處，結(jié)構(gòu)主體在罕遇地震作用下的最大基底剪力約為78 000kN（見圖6），相比于用反應譜法得出的多遇地震下的基底剪力35 109kN（見表1），比值約為2～3倍之間，較為合理。

圖6 Y方向最大基底剪力

4.2 性能點處的框架鉸狀態(tài)

如圖7所示，以Y方向為代表說明，在性能點處，框架鉸的出鉸位置大部分在梁端，體現(xiàn)了強柱弱梁的設(shè)計思路，且根據(jù)樓層鉸數(shù)量的統(tǒng)計表格結(jié)果顯示，框架梁鉸中83%以上呈彈性，約12%梁鉸呈B（屈服）階段，LS（life safety生命安全）階段不足1%；框架柱中，92%以上柱鉸成彈性，約7%柱鉸屈服，無呈破壞狀態(tài)柱鉸。

圖7 性能點處Y向框架鉸狀態(tài)

根據(jù)框架較狀態(tài)圖（見圖7）和統(tǒng)計表格（見表2、表3），可直觀反映出在罕遇地震作用下，大部分框架構(gòu)件完好無損，呈彈性階段；約12%梁端輕微損壞，出現(xiàn)裂縫，進入塑性階段，但塑性程度較淺。梁柱無嚴重破壞，因此,可以判定整個框架體系布置較為合理。

表2 FEMA梁鉸狀態(tài)統(tǒng)計表

表3 FEMA柱鉸狀態(tài)統(tǒng)計表

4.3 性能點處的墻鉸狀態(tài)

圖8 性能點處Y向墻混凝土應變等級

如圖8所示，以Y方向為代表說明，在性能點處，剪力墻破壞位置基本出現(xiàn)在連梁，充分發(fā)揮出了連梁作為耗能構(gòu)件的作用。90%以上的剪力墻混凝土應變等級處于三級以下；底層局部剪力墻應變等級達到四級至五級，混凝土被壓碎，暴露出了結(jié)構(gòu)的薄弱部分，此部分墻體將在設(shè)計和施工時予以加強。

5 結(jié)語

通過靜力彈塑性分析，對本工程在罕遇地震作用下進行變形研究，反應出結(jié)構(gòu)在大震作用下的彈塑性受力性能。用施加單調(diào)增加的水平荷載方式對結(jié)構(gòu)進行推覆，以FEMA為骨架曲線考慮框架鉸的變形特性，模擬真實受力情況定義構(gòu)件的塑性鉸位置。以結(jié)構(gòu)的實際配筋進行分析，找到性能點后，分析結(jié)構(gòu)的受力和變形特點，明確結(jié)構(gòu)的薄弱部位，并評估整體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能。得知主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震工況下位移滿足規(guī)范限值，框架鉸的分布滿足“強柱弱梁”的概念設(shè)計要求；底部墻體鋼筋未屈服，局部混凝土被壓縮，發(fā)現(xiàn)了在設(shè)計中應重點加強的部位，對后續(xù)設(shè)計深化能起到指導作用。

【1】GB50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

【2】JGJ3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

【3】汪大綏,賀軍利,張鳳新.靜力彈塑性分析(PushoverAnalysis)的基本原理和計算實例[J].世界地震工程,2004,20(1):45-53.

【4】趙繼,高德志,侯曉武.MidasBuilding靜力彈塑性分析原理及實現(xiàn)[J].建筑結(jié)構(gòu),2013,43(1):836-841.

Ultra-limit Structure Pushover Analysis in Eight Degree Earthquake Area

ZHANGEr-xuan,LIPei

(1.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture，Beijing 100044,China; 2.Huachengboyuan(Beijing)ArchitectureDesign&Urban Planning Co.Ltd.，Beijing 100052,China)

Thisprojectanalyzesthestaticelastic-plasticitybyapplyingtheMidasBuildingstructuredesignsoftware,andsummarizesthe damagefeaturesofthestructureundertherareevent ofearthquake.Thispaperwill testand verifywhetherthespecificationlimitissatisfied afterfindingtheultimateinter-storydisplacementangleattheperformancepointandwillanalyzesafetyofthestructureandrationalityofthe layoutbycountingtheframeworkcondition.Theobservationaboutthestrainlevelofthewallconcretecanleadtothevulnerablespotsinthe verticalmembers,whichcanbesuitablyreinforcedinthedesigndevelopmentphase.

staticelastic-plasticity;plastichinge;performancepoint

TU313

A

1007-9467（2016）07-0044-03

2016-03-25

張尓旋(1988～)，男，北京人，助理工程師，從事混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究，（電子信箱）13488804703@126.com。