基于动力弹塑性分析方法的高层结构抗震性能评估

舒 林，谭继可

(1.长江大学 城市建设学院，湖北 荆州 434023；2.中南建筑设计院股份有限公司成都分公司，四川 成都 610000 )

基于动力弹塑性分析方法的高层结构抗震性能评估

舒 林1，谭继可2

(1.长江大学 城市建设学院，湖北 荆州 434023；2.中南建筑设计院股份有限公司成都分公司，四川 成都 610000 )

利用Perform-3D软件对某工程进行动力弹塑性分析，并对结构构件进行抗震性能评估，结果表明：结构满足“大震不倒”设防要求，并处于弱非线性状态；剪力墙、桁架和框架柱均满足预期性能目标，满足 “连梁和框架梁为第一道抗震防线”、“强柱弱梁”、“强墙弱连梁”等相关抗震概念设计要求。

性能评估；动力弹塑性分析；Perform-3D

我国现阶段采用三水准设防、两阶段设计的抗震规范，即承载力+抗震措施的设计方法[1]。该方法以满足规范限定条件的线弹性计算结果为依据，设计人员只是从概念上进行把握，并没有对设防目标具体量化，大多数的建筑结构并没有进行罕遇地震下弹塑性验算，抗震设防目标只是根据小震弹性计算结果的一种推测，通过相应的抗震措施调整，假定结构满足大震不倒的设防目标[2]。针对上述问题，采用动力弹塑性分析方法对结构进行抗震性能评估，并验算罕遇地震下结构薄弱部位是否满足相应的性能目标。

1 工程概况

1.1 项目简介

某工程位于湖北省武汉市，占地面积8 200 m2，总建筑面积45 000 m2，其中：地上建筑面积35 300 m2，地下建筑面积9 700 m2；建筑总高度49.9 m，地上9层，地下2层，其中地下一层为半地下室，如图1、图2所示。本工程为大跨度结构，结构为平面不规则和竖向不规则，同时结构采用了预应力梁、转换桁架、型钢柱和钢网架屋盖等形式，为复杂公共建筑。结构体系为框架-剪力墙，地震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，场地类别为II类，设计基本地震加速度值为0.05 g[3]。

图1 建筑立面效果图 图2 结构模型

1.2 计算模型及性能目标

混凝土采用Mander约束混凝土本构模型；钢材考虑材料的强化阶段，采用双折线本构关系；梁柱单元采用集中塑性铰模型；剪力墙单元采用纤维截面模型，采用线弹性节点域单元模拟节点域受力[4]。图3为文献[5]依据ASCE 41[6]规定构件的可接受准则确定的性能水准和性能段，确定了不同构件的抗震性能目标如表1所示。

图3 性能点的可接受准则[5]

构件类型小震大震框架柱OP(性能阶段①)LS(性能阶段③)框架梁/连梁OP(性能阶段①)CP(性能阶段④)剪力墙OP(性能阶段①)LS(性能阶段③)其他杆件OP(性能阶段①)CP(性能阶段④)

1.3 地震波选取

罕遇地震分析采用两组天然波(SGN1，SGN2)和1组人工波USER1，并补充一组多遇人工地震波USER2 ，罕遇地震波加速度峰值为125 gal。天然波取两条，均为安评单位提供的场地实测地震波，实测波地震加速度峰值与规范要求有所不同，不能直接采用，应对地震波进行峰值处理，调整到规范值后再进行时程分析，按式(1)进行调整[7]。

(1)

2 动力平衡方程

在Perform-3D软件中，弹塑性时程分析采用CAA(Constant Average Acceleration)的逐步迭代方法求解动力平衡方程，逐步迭代方法求解动力方程中每个分析步中的时间步Δt是定值，在每个时间步中，荷载的增加是已知的[8]。

任一时刻结构的动力平衡方程为：

(2)

经过一个时间步Δt，动力平衡方程为：

(3)

根据CAA方法的假定可得：

(4)

(5)

得到等效刚度和等效荷载：

(6)

(7)

解方程

KeffΔr=ΔReff

(8)

得：

(9)

(10)

3 地震反应分析

动力弹塑性分析是直接输入地震波数据，求得结构内力和变形随时间变化的方法，它能较真实地反映结构在时程地震波下的耗能状况，从而对结构进行抗震性能评估。本文根据规范要求，选取两条天然波和1条人工波作为地震动输入数据，分析工程实例在罕遇地震作用下的内力和变形结果，并对其进行抗震性能评估。

3.1 层位移

从图4、图5可以看出，层位移最大值均出现在结构顶点，最大层位移SGN1和SGN2大致相同，而USER1与实测波结果偏离较大。

图4 层位移(X方向) 图5 层位移(Y方向)

3.2 层间位移角

从图6、图7看出，弹塑性层间位移角远小于1/100的规范要求，满足“大震不倒”要求。

图6 X方向层间位移角 图7 Y方向层间位移角

4 构件性能评估

4.1 剪力墙

为了得到在大震作用下墙体的开裂情况(以USER1为例)，利用Perform-3D软件中的GAUGE组件对底部加强区(如图8所示)的不利点位置剪力墙进行详细评估，得到剪力墙的拉压应变时程曲线，如图9所示。

图8 观测点编号和位置 图9 不同观测点的墙体应变时程曲线

从图9可以看出，墙体最外侧拉应变为0.008 2，已超过了混凝土的抗拉应变极限0.002，混凝土已开裂，钢筋已屈服，但没有达到钢筋极限拉应变0.01。墙体最大的压应变为0.000 63，远小于0.003 3的混凝土规范抗压限值，混凝土没有被压碎，满足预期的性能目标。

4.2 转换桁架

转换桁架是结构连接的薄弱环节，研究其抗震性能具有重要意义。本工程转换桁架腹杆和上、下弦杆均采用型钢，腹杆采用Q345B焊接H型钢，型号H500×350×16×30。本文以USER1地震波为例，取桁架的斜杆支撑(腹杆)作为研究对象，查看其在地震作用下的内力历程曲线；转换桁架在大震作用下，各构件都有较大的轴力作用，按柱类构件进行计算其P-M屈服面曲线，图10、图11分别为腹杆P-M2、P-M3相关线和腹杆内力历程曲线，其中轴力方向拉为正，压为负。

图10 腹杆P-M2相关曲线 图11 腹杆P-M3相关线

从图10、图11可以看出，桁架腹杆在大震作用下内力历程曲线处于原设计P-M相关线包络范围内，一直处于弹性状态，满足性能目标。

4.3 柱

本文以USER1地震波为例，取底层角柱为研究对象，查看其地震作用下的内力历程曲线，得到了其P-M内力历程曲线，图12、图13分别为柱P-M2、P-M3相关线和腹杆内力历程曲线，其中轴力方向拉为正，压为负。图12显示柱的内力历程均在原设计的P-M2相关曲线屈服面以内，柱处于弹性阶段，满足相关设计要求；图13显示柱的内力历程稍微超出P-M3相关曲线屈服面，柱性能水准达到IO，处于运行控制阶段，满足设计性能目标。

图12 柱P-M2相关曲线 图13 柱P-M3相关线

4.4 非线性耗能

图14～图17所示为大震地震波作用下不同结构构件所占非线性耗能比例。结构非线性耗能构件主要有框架梁、剪力墙连梁和框架柱。以SGN1作用下结构非线性耗能为例，其中连梁耗能占53%，框架梁占28%，剪力墙占17%，框架柱占2%，从比例中可以得出，连梁和框架梁为主要的耗能构件，占总非线性能量耗散的81%，这也满足规范中要求的“连梁和框架梁为第一道结构防线”、“强柱弱梁”、“强墙弱连梁”等相关抗震概念设计要求。图17为USER2输入下不同结构构件所占非线性耗能比例，可知结构弹塑性变形初期的非线性能量由连梁和框架梁耗散。

图14 不同结构构件所占非线性耗能比例USER1

图15 不同结构构件所占非线性耗能比例SGN1

图16 不同结构构件所占非线性耗能比例SGN2

图17 不同结构构件所占非线性耗能USER2

5 结论

选用一条人工波USER1和两条实测波SGN1、SGN2，研究在罕遇地震作用下某实际工程的结构反应，并对该实际工程进行抗震性能评估，得出如下结论：

(1) 本工程弹塑性层间位移角小于规范要求，满足“大震不倒”设防要求，并处于弱非线性状态。

(2) 剪力墙、桁架和框架柱都比预期的性能目标要好，满足预期性能目标。

(3) 从非线性耗能比例图看出结构满足规范中要求的“连梁和框架梁为第一道抗震防线”、“强柱弱梁”、“强墙弱连梁”等相关抗震概念设计要求。

[1] 扶长生.抗震工程学—理论与实践[M].北京:中国建筑工业出版,2013.

[2] 谭继可，俞盛，贾善坡.基于性能的抗震设计研究现状[J].河南城建学院学报,2016,25(1):20-26

[3] 中华人民共和国建设部.建筑抗震设计规范：GB 50011-2010[S]. 北京: 中国建筑工业出版社，2010．

[4] 谭继可，俞盛，舒林,等.Perform-3D在某高层结构抗震性能评估的应用[J].河南城建学院学报,2015, 24(5):11-15

[5] 扶长生,张小勇，鞠进，等.高层建筑合理性能目标的选取和实现[J].建筑结构，2011, 41(S1):1-8.

[6] American Society of Civil Engineers (ASCE), ASCE 41-06：Seismic Rehabilitation of Existing Buildings[S].Reston, VA, 2006.

[7] 李爱群,丁幼亮，高振世.工程结构抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[8] 北京金土木软件技术有限公司.Pushover在建筑工程抗震设计中的应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

Dynamic elastic-plastic analysis method in structural seismic performance assessment for a high-rise building structure

SHU Lin1, TAN Ji-ke2

(1.SchoolofUrbanConstruction,YangtzeUniversity,Jingzhou434023,China;2.Central-SouthArchitecturalDesignInstituteCo.Ltd.,ChengduBranch,Chengdu610000China)

Dynamic elastic-plastic analysis of a project is made by using Perform-3D software, and seismic performance evaluation of structural members is evaluated as well. The results show that the structure meets the seismic fortification requirements, and being in the weakly nonlinear state. Its shear walls, truss and frame columns can meet the expected performance goals, which meets the other related requirements such as “coupling beam and frame beam as the first seismic line”, “strong column and weak beam” as well as “strong wall and weak beam”.

performance assessment; dynamic nonlinear analysis; Perform-3D

2016-05-03

舒 林(1966—)，男，湖北荆州人，硕士，高级工程师。

1674-7046(2017)01-0024-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.01.005

TU398

A