某复杂高层建筑结构动力弹塑性时程分析研究

周立朋

广东省建筑设计研究院北京分院（100081）

某复杂高层建筑结构动力弹塑性时程分析研究

周立朋

广东省建筑设计研究院北京分院（100081）

通过对某复杂高层建筑结构进行动力弹塑性时程分析,模拟结构在地震作用下全过程反应，得到其在罕遇地震作用下的弹塑性变形，确定结构薄弱部位和薄弱构件,为复杂建筑结构的设计及优化提供参考，避免为增加结构的安全储备，造成不合理的资源浪费。

复杂高层建筑；动力弹塑性；时程分析；薄弱部位

0 引言

近年来，随着我国经济实力的增强,高层建筑的建设规模居世界之前列。房屋的高度和复杂也不断增加，不少高层建筑结构超出设计规范、规程的适用范围和有关的抗震设计规定。如何评估和保证其在地震作用下的可靠性，是众多结构设计师在建筑结构的抗震设计研究中最为关注的课题。

动力弹塑性分析方法是由结构初始状态直至地震作用结束逐步积分，能够计算结构构件在每个地震波记录时刻的地震反应，对结构的整体抗震性能做出了比较合理的评价，是一种评估结构抗震性能的合理方法。

在强烈地震作用下，抗震设计规范中规定的结构的弹塑性变形验算,实质上就是薄弱楼层的层间弹塑性最大位移是否在其允许的范围内。因此，确定结构的薄弱楼层非常重要。尤其对于一些不规则结构，采用弹塑性时程分析能够暴露出结构在弹性分析阶段无法显示的薄弱环节，例如楼层的破坏机制、薄弱部位的过大变形等。此方法能够较好地真实反映出结构的弹塑性性能，通常被设计师认为是结构弹塑性分析最可靠的方法，尤其对于高柔结构。

通过对复杂建筑结构进行动力弹塑性时程分析，得到建筑结构的内力（基底剪力）和位移的指标满足规范要求，满足三水准中“大震不倒”的设计要求和三阶段设计中第二阶段罕遇地震作用下的“弹塑性变形验算”《建筑抗震设计规范》5.5.5。动力弹塑性分析除了计算整体指标之外，还可以提供各构件在地震输入过程中的力和变形（局部变形）发展的全过程，给出构件破坏的性质、分布、程度和形成屈服机制的顺序，这些信息更详细地记录了结构在大震反应的过程和特征，能够为改进结构设计提供依据。同时，准确的抗震计算也有助于结构的优化设计，避免为了增加安全储备，不合理地加大截面，造成资源浪费。在“基于性能化的抗震设计”体系中，对构件损伤的评估是作为结构抗震性能评价的重要指标。

1 动力弹塑性分析的基本原理

多自由度体系在地面运动作用下的振动方程为:

2 工程实例分析

2.1 工程概况

某高层建筑结构，底部4层局部为商铺，其余为架空层，5层以上为住宅，共23层，结构高度72.7 m，部分框支剪力墙结构，5层部分转换，平面不规则，屋顶处局部有退台。

2.2 地震波的选择及结果取值

地震波的选取，对弹塑性时程分析而言至关重要，因为不同的地震波的结构反应有时相差较大，规范也没有规定弹塑性时程分析时的选波依据。当然我们可以逐个波进行试算，剔除结构反应明显小的波，再选一组直到选够为止。但是这样很浪费时间，建议可以按规范规定的方法先通过弹性时程分析法选择满足规范要求的波，再进行弹塑性分析计算。

2.3 材料本构关系的选择

钢材的本构关系选用理想弹塑性模型。

混凝土单轴本构关系选择三线性模型，三线性模型是按照规范给出的混凝土本构关系，根据等能量原则得到的,并且可以考虑塑性阶段加载、卸载刚度的降低。

2.4 基于GSNAP的动力弹塑性时程分析

2.4.1 分析结果的可靠性判断

下图为计算工程的顶层平均时程响应曲线。

图1 平均时程曲线

由图1可以看出顶层平均时程响应曲线的波形没有发散，说明分析是可靠的。

2.4.2 罕遇地震作用下最大层间位移角和薄弱层

通过计算得到每条地震波作用下各个楼层的平均和最大层间位移角，进而得到多条地震波的平均层间位移角均值。这里仅列出0度方向的计算结果。

图2 最大层间位移角

通过图2可以得到，楼层的平均位移角为1/700，满足《建筑抗震设计规范》的要求。由层间位移角曲线和有害层间位移角曲线在5层和24层，27层为薄弱层，实际中5层为部分转换，24层为平面局部退台，27层以上为坡屋面，符合结构概念上的判断。

至于薄弱构件的判定可以根据杆件的塑性铰和剪力墙的弹塑性状态显示情况判断。

3 结语

采用GSNAP可对复杂高层建筑结构进行动力弹塑性时程分析，通过分析可以真实反映各个时刻地震作用引起的结构响应，包括变形、应力、损伤形态（开裂和破坏）等，验证结构在罕遇地震作用下的变形是否满足规范要求；通过此方法能够较好地真实反映出结构的弹塑性性能，较为准确的判断结构的薄弱部位，为结构的设计提供依据，做到有的放矢。

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[2]J 186-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].中华人民共和国行业标准,北京:中国建筑工业出版社,2010.

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