基于Push－over的结构抗震能力评估

2012-08-16吕剑勇

长春工业大学学报 2012年4期

关键词：梁式弹塑性剪力

吕剑勇

（广东科贸职业学院环境艺术系，广东广州 510430）

0 引言

对于具备一定抗震能力的建筑结构来说，在小震作用下一般尚处于弹性阶段，此时结构中的绝大多数构件不会出现塑性铰。当遭遇大震时，结构会发生屈服，由弹性阶段进入到塑性阶段，塑性铰在构件上会大面积地出现，直到失去承载能力或产生过大变形而破坏。

相对于普通结构体系，带转换层结构由于竖向抗侧力构件不连续，在大震作用下更容易破坏，因而研究采用何种转换形式更有利于抗震具有非常现实的意义。

对结构在大震作用下的弹塑性抗震能力进行评估是防止倒塌、减轻震害的前提，而静力弹塑性分析方法（Push－over）则是实现基于性能设计的有效手段，可以有效地评估结构在大震作用下的极限承载力和模拟结构的破坏过程[1－5]。文中以两个托柱转换结构为例，采用Push－over方法进行结构抗震全过程分析，以评估它们的抗震能力。

1 建立计算模型

建立一框架－核心筒结构，如图1所示。

图1 结构计算模型

在结构底部，外围密柱转换为稀柱，转换构件分别采用梁和空腹桁架。

采用SAP2000程序对计算模型进行Push－over分析，其主要考虑以下几点：

1）为简化分析及出于文中的分析目的，仅对结构的X方向进行Push－over分析；水平力分布模式分别采用均匀分布和倒三角形分布；考虑PΔ效应。

2）为了便于运用SAP2000程序进行非线性分析，将剪力墙转换成等效柱；对结构进行Pushover分析之前，采用SATWE程序计算出各构件的配筋，以便SAP2000程序计算出各构件的塑性铰模型曲线。

3）各构件可塑性铰的设置：对框架梁设置纯弯塑性铰；考虑到转换梁和空腹桁架上、下弦杆中的轴向力不容忽略，故对其设置压（拉）弯塑性铰；对框支柱、空腹桁架腹杆设置压（拉）弯塑性铰；由剪力墙转换成的等效柱设置压（拉）弯塑性铰和剪切塑性铰；此外，由于框支柱的截面较大（接近短柱），对其加设剪切塑性铰。

4）结构的极限状态取为顶点位移达到结构总高的2%或结构不能继续加载。

2 结构破坏过程分析

对计算模型的X方向进行Push－over分析，结果表明，在均匀分布和倒三角形分布的水平力作用下，空腹桁架转换结构和梁式转换结构的塑性铰在结构上的分布有明显的不同。当结构达到承载能力极限状态时，在外围框架、内部核心筒及楼面梁等部位，空腹桁架转换结构的塑性铰比梁式转换结构开展多、分布广。此外，两者的框支柱和剪力墙核心筒上都出现了剪切塑性铰[6－8]。

塑性铰出现次序如图2所示。

图2 塑性铰出现次序

塑性铰在各榀抗侧力结构上出现的先后次序及破坏过程为：

1）对于梁式转换：①转换梁附近几层框架梁、连接内外筒的楼面梁开始出现少量塑性铰并缓慢发展，如图2（a）中“○”所示，此时基底剪力约为极限状态时的45%；②转换梁上出现纯弯塑性铰、框支柱出现剪切塑性铰，同时外围框架梁上的塑性铰数量增多，内部核心筒出现剪切塑性铰并迅速发展导致核心筒破坏，如图2（a）中“●”所示，此时基底剪力约为极限状态时的90%；③外围框架梁出现大面积塑性铰，与内部核心筒相连的框支柱出现剪切塑性铰并导致结构整体破坏，如图2（a）中“◎”所示。

2）对于空腹桁架式转换：①空腹桁架附近几层框架梁、连接内外筒的楼面梁开始出现少量塑性铰并缓慢发展，如图2（b）中“○”所示，此时基底剪力约为极限状态时的35%；②空腹桁架下弦出现少量纯弯塑性铰、框支柱出现少量剪切塑性铰，同时外围框架梁上的塑性铰数量增多，内部核心筒出现剪切塑性铰并迅速发展导致核心筒破坏，如图2（b）中“●”所示，此时基底剪力约为极限状态时的60%；③空腹桁架上下弦杆、外围框架梁上出现大面积塑性铰，与内部核心筒相连的框支柱出现剪切塑性铰并导致结构整体最终破坏，如图2（b）中“◎”所示[6－8]。

从以上结构破坏过程分析中可以看出，梁式转换的塑性铰集中出现在第二阶段，且破坏过程短促；而空腹桁架转换结构的破坏过程长，破坏时塑性铰出现的数量多、分布广泛，并且大部分塑性铰出现在第三阶段，反映出后者更有利于耗散地震能量，减轻震害。尤其在后期破坏阶段，当内部核心筒发生破坏时，空腹桁架转换结构的整体承载能力仍然有比较大的安全储备（此时基底剪力仅为极限承载能力的60%，而梁式转换结构的基底剪力已达极限承载能力的90%），这对于提高结构整体的抗震性能和抗倒塌能力是非常有益的。

3 结构抗震能力分析

对计算模型的X方向进行Push－over分析，分别得到结构在均匀分布和倒三角形分布水平力作用下的基底剪力－顶点位移关系曲线（能力曲线），如图3所示。

图3 结构能力曲线

对应于结构出现第一批塑性铰和结构达极限状态时的基底剪力见表1。

表1 结构基底剪力 kN

根据图3和表1可以看出，对于托柱转换结构，当结构出现第一批塑性铰时，两种转换结构的基底剪力相差不大，说明这两种结构的弹性抗震能力比较接近，基本上同时进入屈服阶段。而当结构到达极限状态时，采用转换空腹桁架时的基底剪力要比采用转换梁时大很多，说明前者的塑性抗震能力要强于后者。又因为前者的塑性铰开展充分，特别是在后期破坏阶段结构仍然具备较大的承载能力，所以相比较于梁式转换结构，空腹桁架转换结构更有利于发挥结构的整体作用，具有更强的弹塑性抗震能力。