李 剛（中國中材國際工程股份有限公司（南京），江蘇 南京 211100）

0 引言

窯尾塔架作為水泥廠的重要的高層建筑，其結構的安全性能至關重要。隨著我公司結構優(yōu)化設計工作的開展，鋼結構構件截面比以往設計大大減小，無形中降低了結構的極限承載能力；為進一步了解窯尾塔架在罕遇地震下的工作性能，有必要對塔架結構在罕遇地震下的結構整體性能和構件性能進行評估。針對窯尾塔架的結構特點及抗震規(guī)范要求，現(xiàn)以我公司設計的寧夏建材集團產(chǎn)業(yè)扶貧產(chǎn)能置換建設5000t/d項目窯尾塔架進行在罕遇地震下的靜力彈塑性分析（PUSH-OVER ANALYSIS），以驗證構筑物抗震性能目標，評價其結構力學性能。

1 靜力彈塑性分析方法簡介

靜力彈塑性分析方法也稱為推覆法，該方法基于美國的FEMA-273抗震評估方法和ATC-40報告，是一種介于彈性分析和動力彈塑性分析之間的方法，其理論核心是“目標位移法”和“承載力譜法”[1]。

本案例分析程序采用中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所研發(fā)的PKPM彈塑性結構分析軟件PUSH&EPDA。PUSH&EPDA程序采用了目前階段可以使用的較為先進的梁單元模型。梁、柱、支撐等一維構件采用纖維束模型模擬，纖維束模型的適用性好，不受截面形式和材料限制，被認為是一種較為精確的桿系有限單元模型[2]。

2 概況介紹

2.1 分析目標

（1）驗證本構筑物在三水準設防中的“大震不倒”，得到結構在罕遇地震作用下的塑性開展過程與開展程度，根據(jù)主要抗側(cè)力構件的塑性損傷和整體變形情況，確定結構是否滿足“大震不倒”的設防水準預定的性能目標；

（2）兩階段設計中的“第二階段彈塑性變形驗算”強震下變形驗算。根據(jù)結構在罕遇地震作用下的基底剪力、層間位移角等綜合指標，評價結構在罕遇地震作用下的力學性能；針對結構薄弱部位和薄弱構件做出相應的調(diào)整與完善。

通過分析和總結，以提供支持結構設計的決策依據(jù)，為后續(xù)項目設計提供借鑒。

2.2 項目概況

工程抗震設防烈度8度（0.2g），設計地震分組為第三組，場地土類別Ⅱ類，場地特征周期0.45s，計算罕遇地震作用時，特征周期應增加0.05s。

基于本構筑物功能以及結構體系的抗側(cè)力性能等考慮，本塔架結構采用雙重抗側(cè)力體系鋼管混凝土框架-中心支撐結構體系來抵抗水平作用。

窯尾框架為鋼管混凝土鋼框架-支撐結構，其中鋼柱為焊接圓形鋼管混凝土柱，鋼梁為焊接H型鋼梁，支撐為焊接圓形截面中心支撐，樓板為花紋鋼板。

結構總高度105.450m，結構平面尺寸為18.1m×26.6m，結構阻尼值取0.05?？箓?cè)力體系立面示意圖見圖1。

圖1 窯尾塔架抗側(cè)力體系立面

2.3 抗震性能目標

針對窯尾塔架結構特點，《參照高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ3—2010），《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》（JGJ99—2015）及《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》（GB50396-2014），制定塔架結構構件的抗震性能目標，見表1。

表1 塔架結構構件抗震性能目標

2.4 抗震設計思路

對于小震和中震下結構構件的抗震性能目標，通常我們只需要按小震作用效應和其它荷載效應的基本組合，驗算構件截面抗震承載力及結構的彈性變形。而中震作用效應則需要結構靠一定的塑性變形能力（即延性）來抵抗。我國建筑抗震設計規(guī)范根據(jù)不同的設防烈度及建筑物特點對結構延性提出了相應要求，設計時采取抗震措施加以保證。

在大震（罕遇地震）情況下，結構構件允許進入屈服，結構應力、應變呈非線性，構件剛度退化，阻尼減少，不能用彈性分析，而是需要彈塑性分析來考察建筑物的的抗震性能。

3 靜力彈塑性分析

3.1 大震作用下靜力彈塑性分析要點[1，2]

（1）建立合理的結構計算模型、構件的物理參數(shù)和恢復力模型等前期工作。構件的物理參數(shù)和恢復力模型基本程序提供參考選項，計算時仔細加以閱讀并選擇。著重強調(diào)結構計算模型的合理、真實性，一定要按彈性分析的結果真實反應各抗側(cè)力構件的情況，包括構件不缺失，截面規(guī)格及配筋等。

（2）施加水平力。在結構的兩個主軸方向分別施加單向水平力進行靜力彈塑性分析，特殊情況下還需增加斜交方向工況。窯尾塔架相對規(guī)則，且多遇地震下分析結果顯示最大地震力方向接近Y方向，所以本例僅計算兩個主軸方向的工況。水平力模型取多遇地震下基底剪力與CQC振型組合方法彈性分析的結果進行比較，兩者應基本一致。

3.2 結果查看及分析

本例選用沿高度倒三角形荷載分布模式，經(jīng)分析后，得到多遇地震及罕遇地震情況下性能點結果及罕遇地震作用下結構塑性鉸結果

3.2.1 X向施加單向水平力工況結果

（1）多遇地震情況下性能點結果見圖2。與彈性分析對比，性能點基底剪力:2 730.8 kN，此值與CQC振型組合方法彈性分析基底剪力2759kN基本一致，最大層間位移角也基本一致，說明此加載方式可行。

圖2 多遇地震情況下性能點結果

（2）罕遇地震情況下性能點結果見圖3。PUSH推覆性能點基底剪力:13376.2kN；PUSH推覆剪力/設計剪力：3.7；基底剪力與在小震計算結果比值在常規(guī)的3～6倍區(qū)間。最大層間位移角1/150，滿足大震層間位移角限值1/50要求。

圖3 罕遇地震情況下性能點結果

（3）罕遇地震情況下塑性鉸結果見圖4。結果顯示，罕遇地震情況下各抗側(cè)力構件塑性鉸性能狀態(tài)良好，滿足滿足設定的抗震性能目標下構件性能要求。

圖4 罕遇地震情況下塑性鉸結果

3.2.2 Y向施加單向水平力驗算

（1）多遇地震情況下性能點結果見圖5。性能點基底剪力:2592.6kN，此值與CQC振型組合方法彈性分析基底剪力2530kN基本一致，最大層間位移角也基本一致，說明此加載方式可行。

圖5 多遇地震情況下性能點結果

（2）罕遇地震情況下性能點結果見圖6。PUSH推覆性能點基底剪力:11971kN；PUSH推覆剪力/設計剪力：3.31；基底剪力與在小震計算結果比值在常規(guī)的3～6倍區(qū)間。最大層間位移角1/109，滿足大震層間位移角限值1/50要求。

圖6 罕遇地震情況下性能點結果

（3）罕遇地震情況下塑性鉸結果見圖7。結果顯示，罕遇地震情況下僅個別梁端位置塑性鉸性能狀態(tài)為C級，其他各抗側(cè)力構件性能狀態(tài)良好，滿足滿足“大震不倒”的設防水準要求。

圖7 罕遇地震情況下塑性鉸結果

此時可返回彈性設計階段對相應塑性性能較差的薄弱構件加以調(diào)整，重新復核驗算。

4 結語

本算例針對工程的建筑特點，窯尾塔架結構采用了鋼管混凝土框架-中心支撐結構體系，通過對結構進行小震的反應譜分析以及大震的彈塑性時程分析計算得出，此體系既能滿足建筑的使用功能，也能達到結構預設的抗震性能目標。

同時也驗證了鋼管混凝土框架-中心支撐結構體系窯尾塔架的技術優(yōu)勢；本文的驗算流程及相關驗證、調(diào)整經(jīng)驗對后續(xù)項目設計提供了很好的指導意義。