交错混凝土桁架剪力墙结构Pushover分析

尹新生 李燕莹 李百隆 李仕龙 郝 峰 王召震

(1:吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118; 2:清水建设(中国)有限公司,上海 200000)

0 引言

早在1964年，美国麻省理工学院Hansen，Paul等人就在US Steel Corp的资助下提出了交错桁架结构,对交错桁架结构的受力性能进行了详细研究,并开发出了针对建筑的交错桁架钢结构体系[1].在此基础上，上个世纪80年代K.N.V.Prasada Rao和K.Seetharamalu又提出了跳层剪力墙结构,并详细论述了其工作原理和受力特点[2].目前，国内针对交错混凝土桁架剪力墙结构没有实际案例,尚处于理论研究探索阶段，建筑结构的抗震性能有待进一步研究.

1 交错混凝土桁架剪力墙结构模型

本文以某18层交错混凝土桁架剪力墙结构建筑为例,利用SAP2000有限元软件[3]建模.层高3.6m,板厚180mm,柱截面550mm×550mm,剪力墙厚度200mm.纵筋和箍筋分别为HRB400和HRB335.混凝土采用C30混凝土.抗震设防烈度为7度,基本加速度为0.1g[4],由于篇幅受限,本文仅选用美国Elcentro波加载.

钢筋混凝土桁架剪力墙结构建筑模型如图1所示,抗震设防烈度为7度,运用弹塑性时程分析[5],选取Elcentro(Named by City of EI Centro,California,The United States)地震波,分析该建筑在罕遇地震下的地震反应,验算层间位移角是否满足“大震不倒”的抗震设防目标[6].

图1 有限元模型Fig.1 Finite element model

2 地震反应分析

2.1 罕遇地震下的地震反应分析

当建筑在罕遇地震作用下,建筑结构构件将进入弹塑性工作状态,对建筑结构进行Pushover分析.为了验证建筑结构在罕遇地震[7]作用下的破坏特征,在各节点定义塑性铰,通过观察塑性铰的发展情况判断结构的破坏状态.根据抗震规范要求[8],高层结构弹塑性层间位移按下式计算:

Δup≤[θp]h

式中,Δup为罕遇地震下最大层间位移,mm;[θp]为层间位移角限值;h为计算楼层层高,m.

抗震规范规定,罕遇地震作用下位移角限值为1/120,验证建筑结构在罕遇地震作用下层间位移是否满足规范要求[9].

2.1.1 罕遇地震下结构的最大层间位移和层间位移角

该建筑结构在罕遇地震作用下的最大层间位移角与规范要求的对比如表1所示,El-centro波作用下的最大层间位移和位移角如表2所示.

表1 El-centro波作用下最大层间位移角及规范要求Table 1 Maximum inter-storey displacement angle under El-centro wave and code requirement

表2 El-centro波作用下最大层间位移和层间位移角Table 2 Maximum inter-storey displacement and displacement angle under El-centro wave

2.1.2 罕遇地震作用下建筑结构的位移云图和时程曲线

罕遇地震作用下EL-centro波对建筑结构的变形云图和时程曲线如图2所示.

(a) Deformation cloud under El wave (b) Time history curve under EL wave(18th)

(c) Time history curve under EL wave(10th) (d) Time history curve under EL wave(1th)图2 变形云图和时程曲线Fig.2 Deformation cloud and time-history curves

2.1.3 罕遇地震作用下建筑结构的塑性发展

选取层间位移最大的一榀框架，分析其在El-centro波作用下1.5s,2.98s,4.23s和6.32s建筑结构动力塑性发展情况,并标记1 348点(即顶点)的位移，如图3所示.

图3 罕遇地震作用下的塑性发展Fig.3 Plastic development under rare earthqua

3 结论

由以上分析得出如下结论:罕遇地震作用下，建筑结构的最大剪力位于底层,分布与常规剪力墙结构保持一致[10].由时程曲线可知，罕遇地震作用下建筑结构整体刚度和层间位移分布均满足要求,最大层间位移角最大为1/366,满足规范要求,且塑性铰多分布于结构下部的弦杆和连梁上,可起到耗能作用；建筑结构构件进入塑性状态时,破坏是有层次的,不会发生脆性破坏[11],且结构耗散能量稳定增强；建筑结构在地震中表现良好.