黃 敏

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 德陽(yáng) 618000）

0 引言

地殼板塊的運(yùn)動(dòng)平移會(huì)導(dǎo)致地震的產(chǎn)生,地震發(fā)生時(shí)會(huì)造成住宅建筑地層的應(yīng)急力全部集中在一起,當(dāng)?shù)孛婕械娜磕芰砍^(guò)了地層所能承受的力時(shí),能量在住宅建筑地面就會(huì)沿著能量少的一面突然釋放,這時(shí)就會(huì)發(fā)生地震災(zāi)害。地震造成的災(zāi)害一般情況下分為直接災(zāi)害和間接災(zāi)害[1]。地震產(chǎn)生的直接災(zāi)害會(huì)造成住宅建筑坍塌、地表破壞以及地面出現(xiàn)裂縫等損害；地震產(chǎn)生的間接災(zāi)害會(huì)發(fā)生泥石流、火災(zāi)、海嘯等。

混凝土框架結(jié)構(gòu)受到地震破壞的原因有很多,施工過(guò)程中要考慮住宅建筑特殊空間的實(shí)際需求,會(huì)有一部分住宅建筑在結(jié)構(gòu)布置方面欠缺,就會(huì)導(dǎo)致其穩(wěn)定性受到相應(yīng)破壞,住宅建筑的結(jié)構(gòu)和外觀受損[2]；然而在實(shí)際施工中,有很多住宅建筑框架結(jié)構(gòu)的梁、柱設(shè)計(jì)不合理,住宅建筑框架梁的實(shí)際力學(xué)性能要高于柱的力學(xué)性能,導(dǎo)致地震發(fā)生時(shí)框架柱先發(fā)生破壞,增加了人員逃生和救援難度；在住宅建筑中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)是住宅建筑空間分割的主要部件,與混凝土框架一起構(gòu)成住宅建筑[3]。在住宅建筑的抗震分析中,一般不會(huì)分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

針對(duì)以上分析,要通過(guò)提高住宅建筑的抗震性能,保護(hù)住宅建筑中人員和財(cái)產(chǎn)。目前混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)是住宅建筑抗震分析的主要技術(shù),將混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)用到住宅建筑的抗震分析中,可以提高住宅建筑的抗震性能,具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 基于混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的住宅建筑抗震分析方法設(shè)計(jì)

1.1 選取抗震性能分析目標(biāo)

在住宅建筑的抗震分析之前,要先選取合適的抗震性能分析目標(biāo),才能達(dá)到良好的抗震效果,提高住宅建筑抗震分析的振型剛度。住宅建筑的抗震性能分析目標(biāo)是指在預(yù)期的地震作用下,采用混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)將住宅建筑結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)限制在一個(gè)目標(biāo)水平內(nèi),較高的抗震分析性能目標(biāo)可以提高住宅建筑的抗震性能,在抵御大型地震災(zāi)害時(shí),可以使住宅建筑更加安全可靠,同時(shí)也會(huì)提高住宅建筑的工程造價(jià)；較低的抗震性能分析目標(biāo),即使會(huì)降低住宅建筑前期的工程建設(shè)成本,但是住宅建筑在遭遇大型地震威脅時(shí),會(huì)增加住宅建筑倒塌的風(fēng)險(xiǎn),最后會(huì)投入更多的維修維護(hù)資金[4]。

目前投資-效益準(zhǔn)則在抗震性能分析目標(biāo)的選取中是比較常見(jiàn)的,抗震性能分析目標(biāo)選取的合理性,可以保證住宅建筑在遭受不同強(qiáng)度的地震作用時(shí),破壞程度在限定的范圍內(nèi),以此來(lái)降低成本?？拐鹦阅芊治瞿繕?biāo)選擇的合理性可以用住宅建筑工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益多少來(lái)衡量,要做到經(jīng)濟(jì)效益的最大化[5]。

住宅建筑的抗震性能分析目標(biāo)的選取步驟如下:

步驟1:確定住宅建筑工程施工開(kāi)始時(shí)的最低造價(jià)與抗震性能目標(biāo)之間的關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)同一個(gè)抗震性能分析目標(biāo),需要采用混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)搭建住宅建筑結(jié)構(gòu)方案,不同的方案產(chǎn)生的工程造價(jià)是不同的,因此住宅建筑開(kāi)始時(shí)的工程造價(jià)與抗震性能目標(biāo)的函數(shù)關(guān)系是很難建立的[6]。但是經(jīng)過(guò)比較分析,可以在所有住宅建筑結(jié)構(gòu)方案中,選擇出造價(jià)最低的住宅建筑結(jié)構(gòu)方案,完成最低造價(jià)與住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析目標(biāo)的函數(shù)關(guān)系的建立,這種函數(shù)關(guān)系的建立便于優(yōu)化抗震性能分析目標(biāo)的選擇。

步驟2:確定住宅建筑結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震的作用下,住宅建筑結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)之間的合理關(guān)系。在住宅建筑工程造價(jià)一定的前提下,優(yōu)化不同震強(qiáng)條件下的住宅建筑抗震性能分析目標(biāo)之間的比例關(guān)系。在住宅建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能分析方法設(shè)計(jì)中,應(yīng)該充分考慮等級(jí)地震可能造成的經(jīng)濟(jì)損失,來(lái)合理化的進(jìn)行住宅建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施設(shè)置。

步驟3:確定抗震性能分析目標(biāo)。在前兩步的基礎(chǔ)上,選擇抗震性能分析目標(biāo)[7]。為住宅建筑結(jié)構(gòu)的抗震分析提供分析基礎(chǔ),使住宅建筑的抗震分析在經(jīng)濟(jì)性和安全性上達(dá)到合理的平衡點(diǎn)。

以上通過(guò)采用混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)將住宅建筑的破壞狀態(tài)限制在一個(gè)目標(biāo)水平內(nèi),確定了住宅建筑的抗震性能分析目標(biāo),完成抗震性能分析目標(biāo)的選取,接下來(lái)通過(guò)構(gòu)建Pushover分析模型,來(lái)為住宅建筑的抗震分析做鋪墊。

1.2構(gòu)建Pushover分析模型

Pushover分析模型可以接收住宅建筑的振型剛度信息和剪力值信息,不僅確保了分析的準(zhǔn)確性,還提高了住宅建筑抗震分析的振型剛度。Pushover分析模型在本質(zhì)上是一種靜力非線性分析模型,是指住宅建筑結(jié)構(gòu)在一個(gè)沿高度方向位移作用下,增加到模型傾覆的過(guò)程[8]。Pushover分析模型的計(jì)算結(jié)果通常上是比較直觀穩(wěn)定的,且具有較短的求解時(shí)間。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中,如果選取較小的取值步長(zhǎng),得到的計(jì)算結(jié)果就會(huì)更加精確。Pushover分析模型可以為住宅建筑的抗震分析提供一套分析方法。

通過(guò)建模分析得到的載荷—位移曲線。首先對(duì)住宅建筑結(jié)構(gòu)建立模型,計(jì)算出結(jié)構(gòu)中每一個(gè)構(gòu)件截面的承載力彎矩和開(kāi)裂彎矩。但是如果工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)人員在住宅建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置了剪力墻,在建模之前還要分析剪力墻的受力情況[9]。

計(jì)算住宅建筑中每一個(gè)構(gòu)件的剛度,采用Pushover分析模型來(lái)分析住宅建筑的各個(gè)樓層之間的層間位移角和側(cè)向剛度,得到了住宅建筑結(jié)構(gòu)的承載力曲線,如圖1所示。

圖1 住宅建筑結(jié)構(gòu)的承載力曲線Fig.1 Bearing capacity curve of residential building structure

住宅建筑結(jié)構(gòu)的承載力曲線一般不能與界限容許限值直接比較,要經(jīng)過(guò)模型轉(zhuǎn)換,將自由度模型轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃У膯巫杂啥润w[10]。

可以利用式（1）進(jìn)行曲線轉(zhuǎn)換:

式中,V和Δn表示住宅建筑結(jié)構(gòu)載荷；Sai、Sdi表示能力譜曲線上的點(diǎn)；G表示總的等效載荷代表值；φ1T表示第一振型頂點(diǎn)振幅；α1表示質(zhì)量系數(shù)；γ1表示參與系數(shù)。

α1和γ1可以根據(jù)式（2）計(jì)算得到:

式中,mi表示住宅建筑第i層的質(zhì)量；φi1表示第一陣型在第i層的振幅。

經(jīng)過(guò)上述的模型轉(zhuǎn)換,可以得到能力譜曲線。如圖2所示。

圖2 能力譜曲線Fig.2 Capability spectrum curve

模型轉(zhuǎn)換后的單自由度體還不能夠計(jì)算出住宅建筑中各構(gòu)件的剛度,還要經(jīng)過(guò)ADRS譜的轉(zhuǎn)換,才能計(jì)算出構(gòu)件的剛度[11]。

需求反應(yīng)譜在周期 處的加速度譜和位移譜具有下列關(guān)系:

由需求反應(yīng)譜經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換,可以直接轉(zhuǎn)換成SDRS譜,如圖3所示。

圖3 SDRS譜曲線Fig.3 SDRS spectrum curve

將式（3）中的位移譜和加速度譜聯(lián)立,可以得到：

通過(guò)公式轉(zhuǎn)換,繪制出能力譜與需求譜之間的關(guān)系,如圖4所示。

圖4 能力譜與需求譜的關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between capability spectrum and demand spectrum

先利用建模分析得到的載荷-位移曲線,并計(jì)算了住宅建筑中各個(gè)構(gòu)件的剛度,得到了住宅建筑結(jié)構(gòu)的承載力曲線,最后根據(jù)曲線之間的轉(zhuǎn)換,完成了Pushover分析模型的建立。

1.3實(shí)現(xiàn)住宅建筑的抗震分析

在分析住宅建筑的抗震效果之前,首先要采用混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)將住宅建筑的破壞狀態(tài)限制在一個(gè)目標(biāo)水平內(nèi),來(lái)選取抗震性能分析目標(biāo),提高住宅建筑抗震分析的振型剛度。接著利用建模分析得到的載荷-位移曲線,并計(jì)算了住宅建筑中各個(gè)構(gòu)件的剛度,得到了住宅建筑結(jié)構(gòu)的承載力曲線,最后根據(jù)曲線之間的轉(zhuǎn)換,完成了Pushover分析模型的建立,最后在混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)地震的時(shí)程分析來(lái)實(shí)現(xiàn)住宅建筑的抗震分析。

傳統(tǒng)的抗震分析是以地震反應(yīng)譜作為依據(jù),將住宅建筑地震動(dòng)力載荷折算成靜力載荷,然后對(duì)住宅建筑進(jìn)行計(jì)算分析,得到住宅建筑在地震載荷作用下的響應(yīng)情況[12]。

地震反應(yīng)的時(shí)程分析是將住宅建筑結(jié)構(gòu)作為一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng),對(duì)住宅建筑結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程直接積分,就可以得到對(duì)應(yīng)的地震響應(yīng)[13]。

時(shí)程分析流程如下:

A．對(duì)住宅建筑模型輸入加速度時(shí)程曲線,模擬出地震的反應(yīng),并分析和計(jì)算；

B．采用彈塑性恢復(fù)力曲線來(lái)表征住宅建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)；

C．得到住宅建筑結(jié)構(gòu)中塑性鉸出現(xiàn)的具體位置和時(shí)刻,確定住宅建筑結(jié)構(gòu)中的薄弱部位。

通過(guò)時(shí)程分析流程,將混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)用到了住宅建筑的抗震分析中,抗震分析步驟如下:

Step1:對(duì)分析的住宅建筑建立三維有限元分析模型；

Step2:設(shè)置塑性鉸的對(duì)應(yīng)屬性,選定與之對(duì)應(yīng)的框架單元；

Step3:分析住宅建筑的工況；

Step4:計(jì)算和分析住宅建筑的結(jié)構(gòu)模型；

Step5:針對(duì)不同的塑性鉸屬性,并結(jié)合住宅建筑抗震分析的實(shí)際情況,進(jìn)行住宅建筑的截面設(shè)計(jì)并設(shè)計(jì)配筋；

Step6:定義Pushover分析模型并分析荷載工況；

Step7:運(yùn)行Pushover分析模型來(lái)分析住宅建筑的工況；

Step8:查看分析結(jié)果、關(guān)系曲線；

Step9:按照需求進(jìn)一步修改,并重復(fù)上述過(guò)程,直至符合住宅建筑的抗震分析要求。

綜上所述,采用混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)將住宅建筑的破壞狀態(tài)限制在一個(gè)目標(biāo)水平內(nèi),確定了住宅建筑的抗震性能分析目標(biāo),完成抗震性能分析目標(biāo)的選??；然后利用建模分析得到的載荷-位移曲線,并計(jì)算了住宅建筑中各個(gè)構(gòu)件的剛度,得到了住宅建筑結(jié)構(gòu)的承載力曲線,最后根據(jù)曲線之間的轉(zhuǎn)換,完成了Pushover分析模型的建立；最后在混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)地震的時(shí)程分析來(lái)實(shí)現(xiàn)住宅建筑的抗震分析。

2實(shí)驗(yàn)對(duì)比

2.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

為了保證對(duì)比實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前需要對(duì)參與實(shí)驗(yàn)的某些參數(shù)做好提前設(shè)定,具體設(shè)定如下:

住宅建筑的地震影響系數(shù)最大值為小震的2.8倍；

將強(qiáng)剪弱彎的結(jié)構(gòu)內(nèi)力系數(shù)調(diào)整為1；

載荷分項(xiàng)系數(shù)取值為1；承載力的抗震計(jì)算調(diào)整系數(shù)取值設(shè)置成1；整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,材料的強(qiáng)度都選取標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2實(shí)驗(yàn)方案及過(guò)程設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的住宅建筑抗震分析會(huì)使樓層墻體出現(xiàn)拉應(yīng)力,且住宅建筑的外圍墻體拉應(yīng)力會(huì)超過(guò)2ftk,不滿足住宅建筑的抗震性能要求。本文設(shè)計(jì)的抗震分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)在抗震性能方面做了進(jìn)一步探討,如果采用降低能耗的設(shè)計(jì)來(lái)增加住宅建筑的附屬結(jié)構(gòu),從而幫助住宅建筑結(jié)構(gòu)耗能,可以降低住宅建筑結(jié)構(gòu)受到地震的強(qiáng)烈作用,不僅可以解決拉應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題,還可以解決方案不合理造成的住宅建筑層間位移角不滿足要求的問(wèn)題。

本實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施步驟為:

步驟1:確定住宅建筑出現(xiàn)拉應(yīng)力的墻體層數(shù)和位置；

步驟2:使用式（5）來(lái)驗(yàn)算出現(xiàn)拉應(yīng)力的墻體,并判斷拉應(yīng)力是否超過(guò)了2ftk；

步驟3:對(duì)于拉應(yīng)力超過(guò)2ftk的墻體,在不同工況下的內(nèi)力信息導(dǎo)入到編制的 excel 文件中,并計(jì)算出組合后的軸力；

步驟4:通過(guò)輸入預(yù)估的住宅建筑型鋼截面,通過(guò)墻體彈性模量折算的方法,最終計(jì)算出不同工況下的折算后拉應(yīng)力是否超過(guò)了；

步驟5:不超過(guò)2ftk,則說(shuō)明住宅建筑的剛度滿足抗震設(shè)計(jì)要求；超過(guò)2ftk,則重新選擇住宅建筑型鋼截面；

步驟6:統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并分析。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用上述的實(shí)驗(yàn)方案及過(guò)程,得到住宅建筑抗震分析的振型剛度曲線。如圖5所示。

圖5 住宅建筑抗震分析的振型剛度曲線Fig.5 Mode stiffness curve of seismic analysis of residential buildings

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出,隨著剪力值的增大,兩種抗震分析方法獲取到的住宅建筑抗震分析的振型剛度都在逐漸升高,但是傳統(tǒng)抗震分析方法獲取到的住宅建筑抗震分析的振型剛度值,當(dāng)剪力值達(dá)到5 KN時(shí)就不再升高,而是隨著剪力值的增大而降低；基于混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的住宅建筑抗震分析方法獲取到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中,住宅建筑抗震分析的振型剛度值一直在升高,最高達(dá)到了19 KN/m。因此可以得出本文的抗震分析方法具有較高的抗震效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)在住宅建筑的抗震分析。采用混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)將住宅建筑的破壞狀態(tài)限制在一個(gè)目標(biāo)水平內(nèi),完成抗震性能分析目標(biāo)的選??；然后利用建模分析得到載荷-位移曲線,并計(jì)算了住宅建筑中各個(gè)構(gòu)件的剛度,根據(jù)曲線之間的轉(zhuǎn)換,完成了Pushover分析模型的建立；最后在混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)地震的時(shí)程分析來(lái)實(shí)現(xiàn)住宅建筑的抗震分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于混凝土框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的住宅建筑抗震分析方法相比于傳統(tǒng)抗震分析方法,住宅建筑抗震分析的振型剛度值提升了39.29%。