簡 立

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

1 工程概況

本工程為地鐵車輛基地上蓋商業(yè)綜合體。綜合樓建筑總面積約40 650 m2，建筑總高度39.5 m，主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。該建筑底部為東崗車輛段運用庫，位于地下，功能為地鐵車輛檢修和停車，運用庫為一層，輔助邊跨局部兩層，層高共11.5 m。地上結(jié)構(gòu)為住宅或商業(yè)綜合體，共7層，層高4 m。為了滿足建筑使用功能的要求，該結(jié)構(gòu)在9.5 m標(biāo)高處設(shè)置了轉(zhuǎn)換層，除此之外，結(jié)構(gòu)整體布置非常規(guī)則，且樓層頂部無突出部位。

本工程建筑設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度0.2g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期0.4 s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。該結(jié)構(gòu)的基本模型和平面布置見圖1。

(a)左視

2 彈塑性動力分析模型的建立

為判斷結(jié)構(gòu)是否滿足抗震性能目標(biāo)，本文采用PERFORM-3D對結(jié)構(gòu)進行彈塑性時程分析。計算時，考慮材料非線性、P-Δ效應(yīng)以及模態(tài)阻尼。

2.1 本構(gòu)形式

模型涉及單元均選擇三折線型骨架曲線，并考慮強度損失和剛度退化。由于PERFORM-3D中的F-D(廣義力-廣義位移)曲線和FEMA356中的F-D曲線參數(shù)互相對應(yīng)[1]，因此結(jié)合FEMA356中給出的模型具體參數(shù)[2]，即可確定模型單元的本構(gòu)曲線，如圖2所示。

(a)PERFORM-3D

2.2 單元模型

PERFORM-3D中有很多種模擬彈塑性梁的辦法，例如弦轉(zhuǎn)角模型、塑性鉸模型、塑性區(qū)模型以及纖維模型。其中，弦轉(zhuǎn)角模型用起來非常方便，且FEMA356對此模型模擬鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件都作出了詳細的定義，因此本文采用該模型來模擬結(jié)構(gòu)的梁單元。弦轉(zhuǎn)角模型由兩個具有非線性性質(zhì)的FEMA梁構(gòu)件組成，每一個FEMA梁構(gòu)件被分成塑性鉸和彈性段兩部分(圖3)。柱單元模型設(shè)置與梁單元一致，在此不作贅述。

圖3 弦轉(zhuǎn)角模型的實現(xiàn)

2.3 截面分析

本論文采用XTRACT截面計算軟件，對結(jié)構(gòu)中的各構(gòu)件進行截面分析，獲得混凝土構(gòu)件截面的彎矩-曲率關(guān)系曲線及軸力-彎矩關(guān)系曲線，從而確定梁柱構(gòu)件的相關(guān)參數(shù)，完成截面的定義和賦予。圖4所示為結(jié)構(gòu)中的型鋼混凝土梁柱構(gòu)件的截面網(wǎng)格劃分以及計算結(jié)果示例。

(a)型鋼混凝土梁示例

2.4 模態(tài)分析

采用SAP2000和PERFORM-3D分別對結(jié)構(gòu)模型進行模態(tài)分析，計算得到了模型前三階的模態(tài)、周期以及結(jié)構(gòu)總質(zhì)量，如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)振型、周期、質(zhì)量對比

對比表中數(shù)據(jù)可知，兩個軟件計算出的周期、模態(tài)以及質(zhì)量幾乎一致，因此，可以認為模型準(zhǔn)確度較高，能夠被用于完成彈塑性時程分析。

2.5 地震波選取

根據(jù)(GB 50011-2010)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》5.1.4的規(guī)定，建筑結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)應(yīng)根據(jù)烈度、場地類別、設(shè)計地震分組和結(jié)構(gòu)自振周期以及阻尼比確定，并且在計算罕遇地震作用時，特征周期應(yīng)增加0.05 s。據(jù)此，選擇了兩條天然波TH2TG055、TH3TG055和一條人工波RH3TG055，采用三組兩向地震波輸入，每組進行兩個主方向的地震動力時程分析，總計6個工況，水平加速度峰值為400 cm/s2，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05。各地震波反應(yīng)譜和設(shè)計反應(yīng)譜曲線對比見圖5。

圖5 各組地震波反應(yīng)譜和設(shè)計反應(yīng)譜對比

3 時程分析結(jié)果

3.1 頂點位移時程

目標(biāo)點選取結(jié)構(gòu)頂層上的中心點。在六組地震波激勵下的頂點位移時程反應(yīng)見圖6，位移值是頂點與零點標(biāo)高點之間的相對位移值。

各工況頂點位移時程中頂點位移的最大值如表2所示。

表2 頂點位移最大值 mm

(a)地震波TH2TG055激勵下的頂點位移時程

在考慮幾何非線性的情況下，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的的最大頂點位移為172 mm，并且基本保持直立，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。

3.2 層間位移角沿高度分布

本文用到的層間位移角是樓層平面中心點的水平相對位移與層高的比值。罕遇地震下，結(jié)構(gòu)在整個時程分析中各樓層的最大層間位移角分布見下圖7。從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)的層間位移角最大值和拐點均出現(xiàn)在第5層附近，這是由于該結(jié)構(gòu)在第五層的豎向構(gòu)件存在變截面，即此處結(jié)構(gòu)的豎向剛度發(fā)生了變化，所以該結(jié)果是合理的。

圖7 X軸向、Y軸向?qū)娱g位移角沿樓層分布

在罕遇水準(zhǔn)的三條地震波輸入下，X向?qū)娱g位移角最大值1/156，發(fā)生在第4層，Y向?qū)娱g位移角最大值1/125，發(fā)生在第6層，均滿足抗震規(guī)范1/50的限值要求。根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中新納入的建筑抗震性能化設(shè)計概念[3]，配合使用(1990)建抗字第377號《建筑地震破壞等級劃分標(biāo)準(zhǔn)》中對地震破壞分級和地震直接經(jīng)濟損失的估計辦法，可以通過彈塑性層間位移角來評價結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)(表3)。

表3 層間位移角最大值和結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)

從表3可以看出，在多條罕遇水準(zhǔn)地震波作用下，結(jié)構(gòu)達到了中等破壞，這種損傷狀態(tài)對應(yīng)于多數(shù)承重構(gòu)件輕微裂縫(或殘余變形)，部分明顯裂縫(或殘余變形)；個別非承重構(gòu)件嚴(yán)重破壞。需要一般修理，采取安全措施后可適當(dāng)使用[4]。

3.3 層剪力沿高度分布

在PERFORM-3D中定義的層剪力為各樓層底部所有豎向構(gòu)件所受剪力之和，取整個時程分析中的最大值，分為X軸向剪力分量和Y軸向剪力分量。結(jié)構(gòu)每層的最大層剪力沿樓層分布如圖8所示。

(a)X向剪力 (b)Y向剪力

結(jié)構(gòu)X、Y軸向每組地震波下層間剪力最大值都出現(xiàn)在底層，羅列于表4：

表4 各組地震下的最大層剪力 kN

結(jié)構(gòu)X軸向?qū)蛹袅ψ畲笾?18 950 kN，最小值13 615 kN，，均值48 824 kN；結(jié)構(gòu)Y軸向?qū)蛹袅ψ畲笾?7 931 kN，最小值17 681 kN，均值50 301 kN。

3.4 結(jié)構(gòu)耗能分析

結(jié)構(gòu)耗能圖9中，X軸為時間軸，Y軸為耗能百分比。

從圖9中可以看出，在罕遇地震下該結(jié)構(gòu)的塑性耗能最大約53 %(RH3TG055X)，最小約22 %(TH3TG055X)。在相同峰值加速度的地震作用下，結(jié)構(gòu)所處的非線性狀態(tài)差異極大，表明峰值加速度大小不是影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)的最重要因素，地面運動中的頻譜信息才對結(jié)構(gòu)響應(yīng)起控制作用[5]。

除了構(gòu)件的塑性耗能外，大部分能量都是由于阻尼的作用而消耗的，阻尼耗能在結(jié)構(gòu)總能量耗散中占的比重較大，因此阻尼的設(shè)置對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)有較大的影響。阻尼設(shè)置過大，結(jié)果會偏不安全，使結(jié)構(gòu)響應(yīng)偏小，反之評價則會趨于保守。

另外，從各個構(gòu)件的耗能對結(jié)構(gòu)整體耗能的貢獻來看，框架梁的耗能幾乎占總耗能的全部，這說明結(jié)構(gòu)中進入非線性的構(gòu)件基本全是框架梁，而框架柱幾乎沒有耗能貢獻，本結(jié)構(gòu)較好地體現(xiàn)了強柱弱梁的設(shè)計理念。

4 結(jié)論

通過對此轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進行彈塑性時程分析，得出以下結(jié)論：

(1)在考慮幾何非線性的情況下，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的最大頂點位移為172 mm，X軸向?qū)蛹袅ψ畲笾?18 950 kN，

(a)TH2TG055X

Y軸向?qū)蛹袅ψ畲笾?7 931 kN，基本保持直立，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。

(2)罕遇地震的作用下，該結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角最大值1/156，Y向?qū)娱g位移角最大值1/125，均滿足抗震規(guī)范1/50的限值要求，且均出現(xiàn)在第5層附近，這是由于該結(jié)構(gòu)在第五層的豎向構(gòu)件存在變截面，豎向剛度發(fā)生了改變，所以結(jié)果合理。

(3)在多條罕遇水準(zhǔn)地震波作用下，結(jié)構(gòu)達到了中等破壞，這種損傷狀態(tài)對應(yīng)于多數(shù)承重構(gòu)件輕微裂縫(或殘余變形)，部分明顯裂縫(或殘余變形)；個別非承重構(gòu)件嚴(yán)重破壞。需要一般修理，采取安全措施后可適當(dāng)使用。

(4)峰值加速度大小不是影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)的最重要因素，地面運動中的頻譜信息才對結(jié)構(gòu)響應(yīng)起控制作用。此外，阻尼的設(shè)置對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也有較大的影響。