几种地震反应分析方法对框架-剪力墙结构抗震性能评估的比较

王凌飞,赵歆冬,孙文秀,王乐天

(西安建筑科技大学 土木工程学院,陕西 西安710055)

0 引 言

地震反应分析,特别是非线性反应分析,是在许多假定条件下进行的。这些假定与框架-剪力墙这种有多道抗震防线的结构可能有更大的出入。首先,对地震的估计,由于地震的不确定性和复杂性,可能出现成倍的误差。其次,对结构承载力、动力特性,特别是非线性评估,不准确性也有可能使误差达到5%左右,这些误差当然都是反映在地震反应分析结果中的[1,2]。

然而,这并不能就此否定地震反应分析的实用性和必要性。大量的事实表明,如果对钢筋混凝土框架-剪力墙这样的有良好抗震性能的结构类型再做必要的抗震分析,找出其薄弱部位并设法加强,则可使其抗震性能得到更大的优化[3,4]。根据我国《抗震规范》关于高层建筑抗震算法的规定[5],本文通过对一工程实例的多方面分析及其结果的比较,得出就框架-剪力墙结构进行地震反应分析时各种方法的优劣,并明确了框架-剪力墙结构在水平地震作用下的受力和变形特征。

1 实际工程概况

该工程为一酒店,总建筑面积18 432 m2,总层数15层,地下1层,地上14层,总高度56.2 m,采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构,结构呈平面矩形布置,在平面各角部利用楼、电梯间设置一定数量的剪力墙作为主要抗侧力构件。由于建筑功能的要求,5层以下楼板有严重的缺失,属于楼板局部不连续。柱截面尺寸700 mm×700 mm。楼板为现浇混凝土板,地下室板厚180 mm,地上板厚100 mm。梁、板、柱、墙的混凝土强度等级4层以下C40,5～10层C35,11层以上C30。计算时采用材料强度的设计值。抗震设防烈度7.5度,设计基本地震加速度值0.15 g,设计地震分组一组,安全等级二级。

2 实际工程地震反应分析

2.1 结构弹性分析(多遇地震)

多遇地震作用下,周期比T3/T1=0.63,各层剪重比均满足规范要求(2.4%),各层的位移比也满足规范要求[5]。此时可以认为,结构在多遇地震动作用下是安全、可靠的。地震作用下层间位移角见图1。

2.2 弹塑性静力计算(弹塑性静力推覆分析方法EPSA)

采用静力推覆分析方法—Push-Over Analysis对结构进行罕遇地震作用下的弹塑性变形验算。分别用倒三角、均布两种加载模式对三维结构施加侧向荷载[6～8]。经验算后,在同一坐标系中绘制结构的需求曲线、周期—加速度曲线(能力曲线)、周期—最大层间位移曲线。分别见图2、图3。

图1 地震作用下层间位移角

图2 采用倒三角加载模式的推覆曲线

图3 采用均布加载模式的推覆曲线

由以上计算结果可知,结构在两种侧向荷载的作用下,能力曲线与需求曲线均有交点,此时可认为结构的变形验算可以通过,即结构的最大弹塑性变形均满足1/100的规范限制。由于框架-剪力墙结构在水平荷载作用下,变形呈弯剪型,结构的竖向刚度分布比较均匀,因此结构下部变形要比上部变形略大,而均布加载模式强调的是地震对低层的影响,倒三角加载模式则强调的是地震对高层的影响,所以采用倒三角加载模式的需求层间位移角的值要比均布加载的小。

2.3 弹塑性动力计算(弹塑性动力时程分析方法—EPDA)

采用弹塑性动力时程分析方法对结构进行罕遇地震作用下的弹塑性变形验算[9,10],在特征周期为0.45 s的地震波型库中选取一人工波及两条天然波(TH2TG045;Taft)进行输入,结构采用三维空间模型及三向地震波进行验算,地震波主分量峰值加速度取310 cm/s2,次分量峰值加速度与竖直分量峰值加速度分别取主分量峰值加速度的0.85倍及0.65倍(验算结果见图4)。

图4 主、次方向最大层间位移角曲线

2.4 结构塑性绞分析

在推覆分析过程中,可以清楚地看到:结构的塑性绞首先出现在中部框架梁的端部,随着推覆分析的进行,剪力墙底部和底层框架柱也开始出现塑性绞(见图5)。

图5 倒三角加载模式下塑性绞分布图

3 结 论

(1)从上面的分析可知,尽管弹性分析的结果与采用倒三角加载模式的推覆分析结果接近,但是它不能反映结构塑性绞出现的位置及顺序,这对结构抗震性能的评估有一定的局限性。而静力弹塑性推覆分析(Push-Over)却能比较明显地反应结构塑性铰出现的部位和顺序,总的分析结果也与动力时程分析结果吻合的较好。

(2)对于静力弹塑性分析,从分析过程中塑性铰出现的顺序和位置来看,倒三角加载模式强调的是地震对高层的作用,而均布加载模式强调的是地震对低层的作用。从分析结果来看,均布加载模式下的分析结果与时程分析的结果比较接近。

(3)从程序运行时间来看,弹性分析与Push-Over推覆分析的时间明显地比动力时程分析短。因此,作为一种简化结构抗震分析方法,尤其是初步设计阶段Push-Over方法是实用和可靠的。

(4)对这种有多道抗震防线的框架-剪力墙结构,建议首选均布加载模式的静力弹塑性分析法来初步评价结构的抗震性能。

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