Pushover 在现役建筑抗震性能评估中的应用

郭志勇

强烈地震是世界最严重的自然灾害之一，我国也是世界上遭受地震灾害最为严重的国家之一，当前世界各地进入到了一个地震的活跃期，2008年汶川8.0级地震以及2010年青海玉树7.1级地震都造成了相当严重的人员伤亡和财产损失，在建筑物损坏方面，以大开间、大开窗、外走廊的砌体结构和不规则的框架结构破坏尤为严重。与2011年3月11日日本9.0级大地震相比，我国建筑在地震中的破坏程度要严重的多。在国内，工程界大都把关注点放在抗震性能的设计上，而对现役建筑结构的性能评估关注较少，如何减轻地震中房屋的破坏程度，最大程度降低震害损失以及保护人民生命财产，有必要建立一套完整评估体系和适合于抗震性能评估的方法。

1 对现役建筑进行抗震性能评估的必要性

抗震设防是提高建筑物抗震性能的有效途径，在我国，抗震的设防主要经历了四个主要阶段，而四个阶段中各阶段抗震设防的标准都有比较大的不同，从而使得各阶段的所建房屋的抗震性能也各有不同。我国现有建筑主要存在以下三个方面的问题:1)大批20世纪80年代以前建造的房屋没考虑抗震设防或设防能力严重不足;2)近年一些高层建筑的抗震措施和技术尚未经受过大震的检验;3)一些按抗震规范进行了抗震设计的现役建筑物，随着时间的推移结构的很多动力参数都在变化，其抗震性能也在变化。所以，对诸如此类的建筑物采取相应的评估并据此进行合理的抗震加固，对最大限度的降低震害损失以及保护人民生命财产安全具有重要意义，也对抗震减灾及房屋抗震评估和鉴定提出了新的任务和课题。

2 现役建筑抗震评估的方法

在我国，目前抗震性能评估方法主要分为两大类，即确定性和非确定性评估方法，确定性评估方法仍然是广泛使用的评估方法，工程界提出了经验评估法、规范校核法、反应谱法、静力非线性分析等很多种评估方法，通过对各种评估方法进行比较发现，经验评估法不能反映结构延性性能这一关键性的结构抗震性能指标，更多的是对结构构造情况的评估［1］;规范校核法属于半经验半分析的一种评估方法［2］。反应谱法虽具有很强的实用性，但是该方法具有一定的局限性，仅适用于结构在多遇地震下处于弹性工作阶段的评估;弹塑性时程分析方法因计算量大，过程复杂，因此，此法目前仅在一些重要的、特殊的、复杂的以及高层建筑结构的抗震分析中应用;而静力非线性Pushover分析方法［3，4］可以从结构层面和构件层面对结构弹塑性性能进行很好的预测，可以更好的估计结构和构件的非线性变形，并且在与其他几种分析方法相比时，非线性静力分析方法能够提供更多的结构或构件地震反应信息和较为稳定的分析结果，减小分析结果的偶然性，应用上来说也相对更简单，可以节约分析时间和减少工作量。

3 Pushover方法在抗震评估中的应用

3.1 Pushover方法简介

Pushover法是一种静力非线性分析法，本质上是一种与反应谱相结合的静力弹塑性分析方法，在国外的研究和应用较早，1975年由Freeman等提出了能力谱法的概念［5］，后来，美国和日本学者提出了基于性能和基于位移的抗震设计思想，在Pushover法中引入了地震需求谱曲线和能力谱曲线的概念，并促进了Pushover法在结构抗震性能评估等方面的发展和应用。Pushover法的基本原理是以某种方法得到结构在可能遭遇地震作用下所对应的目标位移，然后在对结构施加竖向荷载的同时，将表示地震作用的一组水平静力荷载以单调递增的形式作用到结构上，在达到目标位移时停止荷载递增，最后在荷载终止状态对结构进行抗震性能评估，判断是否可以保证结构在该水平地震作用下满足功能要求。

3.2 工程实例分析

3.2.1 工程概况

某办公楼建成于1992年，采用钢筋混凝土框架结构体系，共7层，建筑平面尺寸总长为36 m，总宽为22.80 m，结构标准层平面形式及尺寸见图1。该结构总高23.7 m，底层层高为3.9 m，标准层层高为3.3 m;根据原始资料的收集及对原结构的鉴定结果，混凝土强度等级为C25，楼板为现浇混凝土双向板，板厚100mm。该建筑场地类别为Ⅱ类场地土，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组，场地特征周期为0.40 s。

3.2.2 分析模型

本文采用ETABS软件根据建筑结构基本情况建立了如图1所示的分析模型，并对其抗震性能进行分析评估。

3.2.3 侧向加载模式

考虑到结构沿X和Y两个方向抗震性能的不同，以及其他不同的影响因素，本文分别采用两种不同的加载模式来对结构进行Pushover分析。

1)工况一:恒载工况+X方向的加速度工况;X方向的顶点位移监测。2)工况二:恒载工况+Y方向的加速度工况;Y方向的顶点位移监测。

3.2.4 分析结果

对于Pushover分析的结果，本文将从以下两个方面来描述:

1)层间位移角。通过对原结构进行分析，得到结构在不同工况下的层间位移角如图2所示，从图2中可以看出，该结构在相当于相应抗震设防水准地震等级外力作用下的最大层间位移角出现在第三层，分别对结构X向和Y向分析后，得出X向楼层层间位移角曲线如图2a)所示，Y向楼层层间位移角曲线如图2b)所示，最大层间位移角为0.00229，在我国现行抗震设计规范中，对于钢筋混凝土框架结构，其结构弹塑性层间位移角的限制为1/50，通过比较可知该结构的弹塑性层间位移角小于规范规定的限值，满足我国现行抗震设计规范的要求。

2)塑性铰分布。该结构的塑性铰首先出现在梁端，这说明该结构满足强柱弱梁的要求，具有一定的延性能力，框架柱塑性铰首先出现在底层，发展顺序基本上是从下往上发展，到达结构的性能点后在四层转角处框架柱出现破坏，这说明该结构在大小相当于相应抗震设防水准地震等级外力的作用下，结构出现了破坏，但不至于立即倒塌，能达到大震不倒的抗震要求，③轴线两方向的塑性铰分布如图3所示。

4 结语

虽然建筑抗震性能的好坏主要取决于建筑抗震的设防，工程界也把大量的精力用于如何提高建筑抗震设防，而现状是人们都居住在已建的建筑物中，对现役建筑物采取相应的评估并据此进行合理的抗震加固具有重要意义。

［1］ GB 50023-95，建筑抗震鉴定标准［S］.

［2］ GB 50011-2001，建筑抗震设计规范［S］.

［3］ Building Seismic Safety Council(BSSC).NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings.FEMA273/274.Developed for the Federal Emergency Management Agency.Washington DC，1997.

［4］ Helmut krawinkler，senviratna G D K.Pros and Cons of a Pushover Analysis of Seismic Performance Evaluation［J］.Engineering Structures，1998(20):452-464.

［5］ Freeman S A，Nicoletti J P，Tyrdl J V.Evaluation of existing buildings for seismic risk-acase study of Puget sound naval shipyard.Bremerton，Washington，Proc.lst U.S.National Conf.Earthquake Engeering.EERI，Berkley，1975.