李勛峰

(衢州學(xué)院，浙江 衢州 324000)

中國是世界人口大國，近些年伴隨著城鎮(zhèn)化水平的提高，城市中需要越來越多的高層建筑來容納相應(yīng)人口。高層建筑是提高城市人口容納率的必然選擇。根據(jù)我國高層建筑建筑規(guī)范規(guī)定，超過10層的建筑均被定義為高層建筑。相應(yīng)的，高層建筑對(duì)于建筑抗震性能具有更高要求，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的抗震特性分析難度較大。尤其隨著人們審美力及個(gè)性化的提升，不完全規(guī)則的建筑層出不窮，其抗震性能分析愈加棘手。地震作為一種突發(fā)性自然災(zāi)害，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)和地區(qū)發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響，隨著人們對(duì)地震特性和建筑結(jié)構(gòu)研究的深入，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論得到了迅速發(fā)展。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)件是基于承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)的，目標(biāo)在于保證建筑在大震作用下不發(fā)生倒塌，然而以往地震災(zāi)害破壞情況表明，這種不考慮建筑物附屬結(jié)構(gòu)、內(nèi)部設(shè)備等的設(shè)計(jì)方法是不全面的，因此提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)與評(píng)估方法。有限元分析的出現(xiàn)，為抗震性能分析提供了一種有效途徑，它通過將建筑結(jié)構(gòu)分解為有限的細(xì)小單元，每個(gè)單元之間相互連接，并且結(jié)構(gòu)滿足一定的邊界條件，在邊界條件限制下，對(duì)于系統(tǒng)所受外力進(jìn)行方程求解分析，從而獲得對(duì)于真實(shí)建筑結(jié)構(gòu)的模擬，并且有限元分析的效能隨著劃分單元數(shù)的增多其仿真性能越接近實(shí)際，在工程中被廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，采用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評(píng)估成為一種趨勢(shì)，通過對(duì)復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、分析，得出在設(shè)定地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)量值和變形，與結(jié)構(gòu)容許值進(jìn)行定量的比較，以評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的抗震性能水平。

1 抗震性能評(píng)估方法

早期的抗震性能評(píng)估采用經(jīng)驗(yàn)評(píng)估法，基于大量地震災(zāi)害實(shí)例分析，得出評(píng)估原則。GB 50023—2009《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[1]中的二級(jí)鑒定法屬于其中一種，這種方法相對(duì)簡單，評(píng)價(jià)指標(biāo)較少，主要針對(duì)結(jié)構(gòu)的宏觀構(gòu)造進(jìn)行鑒定，無法反映結(jié)構(gòu)延性性能，因此需根據(jù)構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)值，按照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中的計(jì)算方法，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的抗震性能做進(jìn)一步驗(yàn)算。

隨著現(xiàn)代抗震理論中基于性能設(shè)計(jì)思想的提出，使得彈性分析方法受到了越來越多的關(guān)注。靜力彈塑性(Pushover)分析法主要對(duì)罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性變形進(jìn)行分析，通過施加沿高度方向分布的側(cè)向力，對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移、塑性鉸位置和破壞機(jī)制進(jìn)行分析。典型的Pushover曲線如圖1所示，各控制點(diǎn)反應(yīng)了結(jié)構(gòu)抵抗水平地震作用的能力。以規(guī)范中反應(yīng)譜為基礎(chǔ)，將加速度-周期曲線轉(zhuǎn)換成譜加速度-譜位移曲線，即為結(jié)構(gòu)的需求譜曲線，將需求譜曲線與通過Pushover曲線轉(zhuǎn)換得到的能力譜曲線進(jìn)行對(duì)比(見圖2)，找出結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)，以對(duì)結(jié)構(gòu)的延性、塑性鉸等性能進(jìn)行評(píng)估。

圖1 Pushover典型曲線

圖2 能力譜與需求譜曲線

2 有限元分析在抗震性能分析中的應(yīng)用

目前，大部分有限元軟件都能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的靜力分析、動(dòng)力分析、彈性和彈塑性分析，如ABAQUS、ANASYS和ADINA等，以及一些專門針對(duì)結(jié)構(gòu)工程分析的有限元軟件，如PERFORM 3D、ETABS、SAP2000和MIDAS等。

章少華等[3]基于ETABS軟件編制了定義塑性鉸屬性的可視化計(jì)算程序，能夠較好地反映構(gòu)件彎矩-曲率變化的全過程，對(duì)1個(gè)8層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力彈塑性分析，并進(jìn)行了抗震性能評(píng)估，結(jié)果表明，該框架結(jié)構(gòu)塑性鉸出現(xiàn)在梁端，在性能點(diǎn)處層間位移角滿足規(guī)范要求限值，罕遇地震作用下能夠滿足大震不倒的目標(biāo)。周威等[4]基于SAP2000有限元軟件對(duì)多層砌體結(jié)構(gòu)和多層框架結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估采用4種不同的分析方法，并進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，采用不同評(píng)估方法的多層建筑，分析結(jié)果較為接近；在罕遇地震作用下，多層建筑塑性鉸位置符合結(jié)構(gòu)本身破壞特征；利用Pushover分析法可確定結(jié)構(gòu)的薄弱部位，以進(jìn)行工程加固。王磊等利用ETABS有限元軟件對(duì)舊工業(yè)改造建筑抗震性能進(jìn)行評(píng)估，以西安建筑科技大學(xué)改造建筑群為例，采用Pushover分析法對(duì)改造后的二層框架結(jié)構(gòu)圖書館進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，塑性鉸主要位于梁端，但底層柱子部分出現(xiàn)塑性鉸，需進(jìn)行加固處理；對(duì)于規(guī)則的中低層建筑，Pushover分析法可準(zhǔn)確得出地震作用下的破壞過程，但對(duì)于偏心或不規(guī)則建筑，分析結(jié)果與實(shí)際情況相差較大。

朱漢波等[5]應(yīng)用PERFORM 3D有限元軟件對(duì)多層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估，利用FEMA P-58評(píng)估方法建立易損性函數(shù)，得到修復(fù)費(fèi)用、修復(fù)時(shí)間和人員傷亡等指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果；通過增量動(dòng)力分析(IDA)得出結(jié)構(gòu)在不同損傷下的易損性曲線，可作為結(jié)構(gòu)加固方案的確定參數(shù)。蘇寧粉等[6]借助ABAQUS有限元軟件對(duì)超高超限框架-核心筒結(jié)構(gòu)的動(dòng)力彈塑性進(jìn)行分析，對(duì)該復(fù)雜結(jié)構(gòu)的彈塑性變形進(jìn)行量化分析，結(jié)果表明，采用ABAQUS顯示分析可較好地模擬結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的損傷；型鋼混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)體系具有較好的變形能力和耗能能力，能夠?qū)崿F(xiàn)大震不倒的抗震目標(biāo)。舒林等[7]應(yīng)用PEFORM 3D有限元軟件對(duì)9層框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評(píng)估，采用ASCE41規(guī)定的評(píng)估方法，對(duì)罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的變形指標(biāo)進(jìn)行量化，結(jié)果表明，框剪結(jié)構(gòu)層間位移角較小，剪力墻構(gòu)件在地震作用下的安全儲(chǔ)備較大。

目前，使用最為廣泛的有限元分析工具為ANSYS，并在建筑結(jié)構(gòu)分析中取得了良好的應(yīng)用效果。李碧雄等[8]基于ANASYS三維空間模型，對(duì)加固后的5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)住宅樓的抗震性能進(jìn)行分析，采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析法對(duì)不同加固方案進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)抗震加固應(yīng)考慮整體優(yōu)化，避免局部簡單修復(fù)，優(yōu)先選擇輕質(zhì)材料，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)加固后新的薄弱環(huán)節(jié)及最不利狀態(tài)。江南大學(xué)鄒昀等[9]設(shè)計(jì)了與上海環(huán)球金融大廈相同的縮比模型，并進(jìn)行了多種地震強(qiáng)度下的仿真實(shí)驗(yàn)，與ANSYS有限元仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，充分驗(yàn)證了有限元分析在迅速模擬抗震性能中的優(yōu)越性。

3 有限元分析在型鋼-混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

在中國建筑科學(xué)研究院對(duì)我國高層建筑的主要設(shè)計(jì)趨勢(shì)的研究中，核心筒模式可提高高層建筑抗震能力[10]。本文設(shè)計(jì)了某型鋼-混凝土高層建筑，含核心筒模式，共有20層，其中第1～第3層層高5 m，第4～第20層層高3 m。根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)特征構(gòu)建了有限元分析模型，共有305 680個(gè)節(jié)點(diǎn)，35 761個(gè)單元(見圖3)。

圖3 某型鋼-混凝土高層建筑有限元分析模型

該建筑結(jié)構(gòu)的最大位移Dp計(jì)算式為：

(1)

式中，amd為建筑結(jié)構(gòu)所受設(shè)計(jì)加速度峰值，代表預(yù)測(cè)地震強(qiáng)度峰值；ama為建筑結(jié)構(gòu)所受實(shí)測(cè)加速度峰值，表示實(shí)際所受地震強(qiáng)度峰值；Dmi為建筑結(jié)構(gòu)模型第i層最大位移；Sd為模型-實(shí)體轉(zhuǎn)換經(jīng)驗(yàn)指數(shù)。

通過有限元分析，得到了小震、中震和罕遇地震情況下，各層的水平方向位移情況(見圖4)。從圖4可以看出，5層以下，在各種地震情況下，該高層建筑都無顯著的橫向位移；10層以上，在罕遇地震下，該高層建筑發(fā)生了較為顯著的橫向位移，但是整體滿足我國相關(guān)規(guī)范中“小震不壞、中震可修、大震不倒”的要求。

圖4 某型鋼-混凝土高層建筑在各不同震度中位移分析結(jié)果

4 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估是一個(gè)關(guān)系民生和社會(huì)發(fā)展的重大課題，隨著建筑結(jié)構(gòu)層高的不斷增高，結(jié)構(gòu)形式多樣化發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度逐漸增大，人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能要求不斷提高，因此科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估成為社會(huì)和學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)問題。通過有限元分析方法可以最大限度地對(duì)結(jié)構(gòu)彈塑性性能和抗震性能進(jìn)行分析、評(píng)估和預(yù)測(cè)，通過了解建筑物在各種地震作用下的響應(yīng)情況，可以識(shí)別其薄弱部位，為通過局部加強(qiáng)加固來提高建筑的抗震能力給出具體指導(dǎo)。本文有限元分析軟件ANSYS，分析典型的第1～第3層層高5 m、第4～第20層層高3 m的共20層含核心筒結(jié)構(gòu)的型鋼-混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)，利用在3種不同地震強(qiáng)度下的層間位移發(fā)現(xiàn)，具有核心筒的高層建筑有助于幫助建筑實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的我國高規(guī)要求?；谟邢拊慕ㄖY(jié)構(gòu)抗震性能分析可為高層建筑設(shè)計(jì)提供迅速有效的參考。