余 岳

（廣西建工集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530200）

1 不規(guī)則高層建筑抗震分析的意義與現(xiàn)狀

不規(guī)則結(jié)構(gòu)由于質(zhì)量重心與剛度偏差比較大，不可避免會產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，同時由于結(jié)構(gòu)不對稱，當(dāng)受到地震力作用時會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在應(yīng)力集中部位會造成嚴(yán)重破壞。規(guī)范要求盡可能對稱、簡單、規(guī)則布置結(jié)構(gòu)，但由于建筑師對藝術(shù)的追求和場地環(huán)境條件約束，不規(guī)則建筑不可避免，甚至有越來越多的趨勢。因此，對于不規(guī)則結(jié)構(gòu)在地震力作用下反應(yīng)的研究分析一直是抗震領(lǐng)域的重要課題。目前，對于不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震理論尚不夠完善，不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震性能分析也有待進(jìn)一步總結(jié)與提煉。

2 靜力彈塑性方法研究及其現(xiàn)狀

靜力彈塑性分析方法（Pushover）在國外的研究與應(yīng)用相對較早，經(jīng)過各國學(xué)者研究與不斷創(chuàng)新完善，現(xiàn)已成為抗震設(shè)計分析很重要的方法。文獻(xiàn)［1］對靜力彈塑性分析方法進(jìn)行詳細(xì)闡述，主要分析該方法的特點、使用范圍，同時指出其局限性，對過去二十多年靜力彈塑性分析方法進(jìn)行了整體概括，給靜力彈塑性分析方法的分析研究工作做了很好的定位。我國對靜力彈塑性分析方法的研究與應(yīng)用相對比較成熟。GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》明確規(guī)定對不規(guī)則結(jié)構(gòu)且有明顯薄弱部位的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性變形分析計算時，可采用靜力彈塑性分析方法。此方法分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非線性變形時比承載力設(shè)計結(jié)構(gòu)更接近實際值，與非線性時程分析相比，靜力彈塑性分析方法可得到更穩(wěn)定的結(jié)果，減少了偶然性，同時可節(jié)約時間和工作量。

3 工程概況

某工程平面呈L形，地下1層，地上33層，地下室層高為5.1m，第1層為3.6m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3m，總高度為99.6m。框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計年限50年，抗震設(shè)防為丙類，抗震墻為二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級，基本風(fēng)壓0.35kN/m2，地震設(shè)防烈度為7度（0.1g），設(shè)計地震分組為第一組，建筑物場地類別為A類。

4 結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析

4.1 基本原理

靜力彈塑性分析方法是根據(jù)結(jié)構(gòu)特性對結(jié)構(gòu)施加與地震水平力相近的某一側(cè)向力，然后逐漸單調(diào)增加該水平力，使結(jié)構(gòu)變形達(dá)到目標(biāo)位移或某一破壞機(jī)制，讓結(jié)構(gòu)變成機(jī)構(gòu)。通過靜力彈塑性分析方法分析，可得出結(jié)構(gòu)在地震力作用下的內(nèi)力與變形性能，以及塑性鉸出現(xiàn)的順序和位置，找出結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

4.2 基本假定

靜力彈塑性分析方法沒有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)[2]，分析是基于以下2種基本假定：①僅由第一振型控制結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，多自由度體系結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)與對應(yīng)的某一單自由度體系的結(jié)構(gòu)反應(yīng)等效；②在整個地震反應(yīng)中，不論結(jié)構(gòu)變形大小，沿高度方向的形狀向量始終保持不變。

4.3 倒三角模式的靜力彈塑性分析

在罕遇地震作用下，倒三角加載模式下，x、y方向的整樓塑性鉸8層以上大部分墻體仍處于彈性狀態(tài)，7層以下L形平面的轉(zhuǎn)角處及兩端墻角產(chǎn)生塑性鉸，大部分墻體產(chǎn)生裂縫，設(shè)計時應(yīng)注意此部分構(gòu)件的加強(qiáng)。從x、y方向結(jié)構(gòu)位移角最大值第14、12層塑性鉸分布情況來看，塑性鉸基本上都出現(xiàn)在梁兩端及連梁位置，滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理念“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎”的要求（見圖1）。

圖1 第12層塑性鉸分布

4.4 不同側(cè)向力作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性分析

不同側(cè)向力分布模式反映了各結(jié)構(gòu)樓層在地震力作用下慣性力的分布情況。在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后，結(jié)構(gòu)的自振頻率、慣性力的分布情況將發(fā)生變化，之前的同一種側(cè)向力加載模式就不太合適了。因此選用2種以上的加載模式進(jìn)行靜力彈塑性分析很有必要[3]。本文采用倒三角形、矩形、彈性CQC法、實時模式這4種側(cè)向力分布模式進(jìn)行彈塑性分析對比。

4.4.1 層間側(cè)向位移

由圖2可知，在不同側(cè)向力荷載作用下，各樓層的層間側(cè)移曲線變化趨勢基本一致，曲線平順光滑，無突變，說明豎向剛度比較均勻。x方向與y方向最大層間位移相差不大，x方向最大層間位移略小于y方向，這與x方向的剛度略大于y方向的剛度相吻合。在不同的側(cè)向力加載模式下，x、y兩個方向?qū)娱g側(cè)移整體相差不大。

圖2 y方向?qū)娱g側(cè)向位移

4.4.2 層間位移角

由圖3可知，在不同側(cè)向力分布荷載作用下，位移角曲線的變化趨勢基本一致，局部不存在突變，這與豎向剛度分布均勻相符。不同側(cè)向力加載模式下x、y方向最大位移角均小于1/100，滿足規(guī)范要求。最大位移角分別發(fā)生在9～14層，設(shè)計時多注意這幾層構(gòu)件的加強(qiáng)。4種加載模式相比，第14層以上位移角在倒三角形荷載模式作用下最大，第14層以下矩形加載模式位移角最大，實時模式與CQC模式曲線基本重疊居中。

圖3 y方向?qū)娱g位移角對比

4.4.3 層間剪力

由圖4可知，在不同側(cè)向力加載模式下，層間剪力由上往下逐漸增大，曲線變化趨勢基本一致。第12層以上倒三角形模式作用下剪力最大，矩形最??；實時模式與CQC模式居中且這2種模式的曲線基本重合，第12層以下則倒三角形模式剪力最小，矩形模式剪力最大。中間第12層處存在較小突變，這是由于第11、12層是2個標(biāo)準(zhǔn)層，柱、剪力墻的截面相對減小造成的，設(shè)計時應(yīng)注意2個標(biāo)準(zhǔn)層豎向構(gòu)件的變化盡量不要太大。

圖4 y方向?qū)蛹袅Ρ?/p>

4.4.4 傾覆力矩

由圖5可知，在不同側(cè)向力荷載作用下，結(jié)構(gòu)樓層的抗傾覆彎矩曲線其變化趨勢基本一致，倒三角形側(cè)向力荷載作用下產(chǎn)生的傾覆彎矩最大，矩形模式最?。粚崟r模式和CQC模式居中，倒三角形曲線基本上可包絡(luò)其他曲線。由曲線變化趨勢可看出，第12層以上其傾覆力矩變化較快，12層以下其傾覆力矩變化較緩慢，這與12層以上樓層豎向剛度大于12層以下樓層剛度相符。

圖5 y方向傾覆彎矩對比

5 結(jié)語

通過采用Midas Building對結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的靜力彈塑性分析，用能力譜法取得結(jié)構(gòu)的性能點，并查看性能點狀態(tài)下的位移、位移角曲線及塑性鉸出現(xiàn)順序，在此情況下還進(jìn)行了倒三角形、矩形、實時模式、CQC模式4種不同側(cè)向力加載情況的靜力彈塑性分析觀察整個結(jié)構(gòu)的抗震性能，可得出以下結(jié)論。

1）隨著側(cè)向力加大，塑性鉸先在連梁、框架梁兩端出現(xiàn)，接著底層剪力墻出現(xiàn)鉸和裂縫，大部分豎向構(gòu)件還未達(dá)到屈服，表明結(jié)構(gòu)符合“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計要求，能保證“大震不倒”的設(shè)計目標(biāo)。

2）通過對性能點的分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱層在12～14層，平面轉(zhuǎn)角處剪力墻及兩邊端部邊跨剪力墻構(gòu)件比較薄弱，設(shè)計時應(yīng)注意這些構(gòu)件和薄弱層的加強(qiáng)。

3）不同側(cè)向力荷載作用下，實時模式與CQC模式得到的位移、剪力、位移角、傾覆彎矩曲線基本重合，表明這2種加載模式對結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的影響很小，在第12層以上，倒三角模式作用下的位移角、層剪力都大于矩形模式，但在12層以下，倒三角模式作用下的位移角、層剪力卻都小于矩形模式。表明結(jié)構(gòu)剛度對這2種加載模式影響比較突出。

4）由于任何一種側(cè)向力加載模式都不能完全真實地反映地震力作用，有關(guān)學(xué)者提出采用循環(huán)往復(fù)的加載模式能更真實地反映地震力作用，此方法有待進(jìn)一步證實與探討。