某高层建筑罕遇地震下的静力弹塑性分析

胡立黎 易建文 骆贵波

(浙江杭萧钢构股份有限公司，浙江杭州 310003)

0 引言

罕遇地震是一种突发的、破坏性非常大，甚至具有毁灭性质的自然灾害，无法进行可靠预测，只能进行积极的预防。通常，在罕遇地震作用下，房屋结构会进入弹塑性受力状态。因此，为保护人民的生命财产安全，就需要对房屋结构在弹塑性工作状态下的性能进行分析研究。目前，《建筑抗震设计规范》[1]中抗震设计主要是“小震设计”:保证多遇地震作用时在结构不坏的前提下，通过调整构件内力和合理的构造措施来保证罕遇地震作用下的结构整体延性，达到“大震不倒”设防目标。可是，汶川地震震害表明[2]，采用弹性地震反应分析结果去保证“设防地震”或者“罕遇地震”作用下结构的地震反应，具有很大的经验性，也无法完全保证结构实现罕遇地震的设防目标。随着计算机技术的迅速发展和结构性能设计理论的不断完善，使设计者对整体结构进行罕遇地震作用下受力分析成为可能。当前，主要采用静力弹塑性分析方法和动力弹塑性时程分析方法验算罕遇地震作用下结构的地震反应。

本文采用静力弹塑性方法对某纯钢结构的高层建筑进行罕遇地震作用分析。

1 静力分析法

静力分析法，也称Push-over法，是国际上最早形成的抗震分析方法。中国、欧洲、日本和美国等国家都将其作为有效的抗震性能评价方法纳入规范[3]。

其基本思路:

依据实际情况施加水平力于结构，随着水平力增加使各构件依次进入塑性。当个别构件进入塑性阶段后，整个结构的特性也会相应改变。此时，需要再次调整水平力的大小和分布，以适应结构需要。如此，直到整体结构出现预定的破坏现象(比如结构成为机构或者最大层间位移超过要求)。

水平力施加方法包括倒三角形分布、均匀分布、抛物线分布、幂级数分布、模态加载和自适应侧向荷载模式等[4-6]。倒三角形分布适用于以第一振型为主的结构体系，并假定结构各层加速度沿高度呈线性分布。荷载均匀分布，假定结构各层侧向力与该层质量成正比，相当于结构在地震作用下每层的加速度均相同。抛物线分布是水平力沿着高度成抛物线形状加载方式，能够较好地反映结构在地震作用下的高振型影响。

指数分布是:

指数k的取值为:

其中，T为结构基本周期，它在一定程度上考虑了高振型的影响。自适应侧向荷载模式可采用振型分解谱平方和开平方(SRSS)计算结构各层层间剪力的方法或者根据结构侧移或振型的变化调整结构侧向力分布。

2 模型概况

本工程地下1层，地上25层，裙房部分局部4层，标准层层高3.6 m，总高度约95 m，总建筑面积约5.7万m2。基本设防烈度8度(0.17g)，地震分组为第一组，场地类别为第二类。结构体系采用如图1所示，地下1层～第5层为矩形钢管内填混凝土柱，其他层为矩形钢管柱。水平抗侧力构件为偏心支撑和中心支撑。在结构端部存在斜柱，每层斜柱倾向角度不同以使结构整体外形构成圆形。

图1 -1层～5层的结构布置图

塔楼的剖面如图2，图3所示。

图2 6层以上标准层的结构布置图

采用PUSH＆EPDA软件进行Push-over分析，模型如图4所示。分别对结构两个主轴方向进行静力弹塑性分析。在分析的过程中，采用弹性CQC加载方式，并且考虑结构的P-Delta效应。竖向荷载作用在杆间。钢材采用双折线的弹塑性本构关系。梁、柱支撑等一维构件采用纤维束模型来进行模拟。判断塑性铰按程序内置的铰特性，铰截面刚度破坏程度指数应取为0.7(如图4所示)。

图3 塔楼的剖面图

图4 塔楼的三维分析模型

3 结构性能评价

3.1 性能控制点确定

在罕遇地震作用下，地震参数为:水平地震影响系数最大值取0.77，基本设防烈度8度(0.17g)，地震分组为第一组，场地类别为第二类，特征周期取0.35 s，阻尼比为0.05。X和Y方向的倒塌验算结果如图5和图6所示。

图5 罕遇地震作用下X方向结构倒塌验算结果

图6 罕遇地震作用下Y方向结构倒塌验算结果

从图5，图6中可以得出:

罕遇地震作用下，X向和Y向性能曲线均能穿越地震需求曲线，结构可以得到有效的性能点。结构能力曲线较为平滑，Y方向的结构性能曲线远高于需求曲线，说明Y方向抗震性能富余较多;X方向的结构性能曲线略高于需求曲线，说明X方向抗震性能较弱，只是略有富余。

综上所述，结构的安全储备较大，可以满足“大震不倒”的抗震性能目标要求。

结构罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角如表1所示。从表1中可以得到:罕遇地震作用下，X和Y方向均能满足抗震规范要求，且位移角远小于抗震规范限值。说明结构整体刚度较大，结构地震作用下变形较小;满足罕遇地震作用下结构弹塑性变形要求，且变形余量较大。

表1 结构罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角

3.2 结构构件的塑性铰

结构X方向性能点出现在加载第21.6步，Y方向性能点出现在加载第24.8步。性能点处的塑性铰分布如图7，图8所示。

图7 罕遇地震作用下X向性能点处的塑性铰分布

图8 罕遇地震作用下Y向性能点处的塑性铰分布

从图7，图8中可知:X方向上，首先耗能梁出现塑性铰，然后与柱间支撑相连的框架梁相继出现塑性铰，最后个别支撑构件也出现塑性铰，但框架柱没有出现塑性铰。因此，耗能梁发挥了结构“保险丝”的作用，率先耗散能量，随后框架梁耗散地震能量。Y方向上，两片支撑之间相连的框架梁率先出现塑性铰，然后个别支撑出现塑性铰。两片支撑之间的框架梁相当于剪力墙的连梁作用，承受地震作用较大，因此最先出现塑性铰，开始耗散能量。综上所述，由于框架柱在两个方向上都未出现塑性铰，满足“强柱弱梁”的抗震性能目标要求。

4 结语

采用静力弹塑性方法，分析了在罕遇地震作用下，某高层酒店结构的地震反应性能。通过结构表明:结构整体刚度较大，结构的性能曲线，弹塑性层间位移角等均能满足要求，满足“大震不倒”要求;通过分析塑性铰出现顺序，证明结构满足“强柱弱梁”的要求。

[1] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[2] 徐有邻.汶川地震震害调查及对建筑结构安全的反思[M].北京:中国建筑工业出版社，2009.

[3] 蔡 健，周 靖，禹奇才.建筑抗震设计理论研究进展[J].广州大学学报(自然科学版)，2005，4(1):65-73.

[4] 胡立黎.水平地震作用下深梁填充钢框架结构抗震性能研究[D].西安:长安大学，2010:1-12.

[5] 徐龙军，谢礼立，胡进军.抗震设计谱的发展及相关问题综述[J].世界地震工程，2007，23(2):46-57.

[6] 杨 劲，蒋 凡，刘 丰.基于Push-over方法的站房结构抗震性能评估研究[J].建筑结构，2012，42(S2):145-148.

[7] 朱东烽.超限高层建筑罕遇地震下静力弹塑性分析[J].城市建设理论研究，2012(3):92-94.