Perform-3D在某高层结构抗震性能评估的应用

谭继可，俞 盛，舒 林，魏杰晶

(1.中南建筑设计院股份有限公司成都分公司，四川 成都 610000； 2.中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉 430071； 3.荆州市江汉建筑工程施工图设计审查事务所，湖北 荆州 434020)



Perform-3D在某高层结构抗震性能评估的应用

谭继可1，俞 盛2，舒 林3，魏杰晶1

(1.中南建筑设计院股份有限公司成都分公司，四川 成都 610000； 2.中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉 430071； 3.荆州市江汉建筑工程施工图设计审查事务所，湖北 荆州 434020)

参考美国性能规范ASCE 41，确定结构抗震性能目标和构件可接受准则，并采用静力推覆分析方法对实际结构进行抗震性能评估。分析结果表明，弹塑性层间位移角等性能指标满足规范要求，结构构件均满足各自预期的性能目标，结构基本处于运行控制状态。

可接受准则；推覆分析；性能目标

1 工程概况

1.1 工程简介

本文工程位于湖北省武汉市[1]，总建筑面积为44 771.27 m2，其中地上建筑面积为35 050.75 m2，地下建筑面积为9 720.52 m2，最大建筑高度为49.9 m，地下1层，地上9层，室外场地东高西低，高差4.2 m，形成地上一层为半地下室(见图1)。结构体系为框架-剪力墙形式，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速值为0.05 g，设计地震分组为第一组[2]，抗震设防类别为标准设防类(丙类)，抗震等级为三级[3]。本文工程的结构采用了预应力梁、型钢混凝土柱、组合楼盖和钢网架等构件，结构类型为平面不规则和竖向不规则。本文采用Perform-3D软件，对工程结构进行抗震性能评估。

图1 建筑立面效果图

1.2 抗震性能目标

文献[4]给出了建筑结构抗倒塌设计的相关计算方法，并结合国内的相关规范给出了不同性能水准下构件的弹塑性转动量化指标，标志着我国步入基于性能的抗震设计阶段。由于本文工程的设计阶段早于文献的施行时间，为保证研究结果的真实有效，本文数据结果仍采用原设计相关内容，以美国性能规范的相关规定和可接受准则为依据，对该工程进行抗震性能评估。图2为文献[5]根据ASCE 41确定的性能水准和性能段，不同性能水准和性能段的塑性转角量化指标详见ASCE 41中的相关章节[6]。本文工程确定的结构不同构件的抗震性能目标如表1所示。

图2 性能点的可接受准则

表1 抗震性能目标

2 推覆分析

2.1 模型建立

2.1.1 本构关系

钢材考虑材料的强化阶段，采用弹塑性硬化本构模型：屈服应力为4.0×e8Pa,塑性应变0.1对应的应力为5.96×e8Pa；钢材弹性模量E=2×e11Pa，泊松比为0.3。混凝土有着较为复杂的本构关系，弹性计算和弹塑性计算时采用的本构模型也不一样，为更真实地反映钢筋混凝土构件在大震下的受力性能，采用Mander[7]约束混凝土模型。

图3所示为程序中采用的受压混凝土纤维骨架曲线模型，该模型通过能量耗散因子控制能量耗散，能量耗散因子范围为0～1，数值越大，能量耗散越多。Perform-3D软件支持将受拉情况下的值定义为0或者其它有限值，如果定义了有限的强度，重加载和卸载如图4所示，该循环没有能量耗散。程序假定受压导致的混凝土压碎并不能影响其受拉性能，受拉产生的开裂也不会影响其受压性能。

图3 混凝土材料抗压性能

图4 混凝土材料抗拉性能

2.1.2 单元模拟

按规范提供的质量计算方法(1.0恒荷载+0.5活荷载)计算结构总质量，Perform-3D弹塑性模型中的质量集中在节点中，即需要定义每个节点的质量，并区分水平平动质量和竖向平动质量，以满足竖向地震分析的要求。根据PKPM设计模型，以实际配筋为依据，根据ASCE 41等美国的性能规范和国内的相关规范要求，建立Perform-3D弹塑性模型。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，并采用线弹性节点域单元模拟节点域受力。构件的量化性能指标由表1确定的抗震性能目标，并依据ASCE 41规定构件的可接受准则转化而来。

2.2 静力推覆的主要步骤

静力推覆分析方法理论简单、操作方便，是一种高效的性能评估分析工具；它使用静态分析捕获动态效应，是一种基于位移的抗震设计方法。它考虑结构构件的材料非线性，以结构顶部侧向位移为重要依据，对结构整体抗震性能评估的非线性分析方法；它使用的是反应谱，而不是一系列地面加速度图，故比动力弹塑性时程分析有较少的计算量。图5显示了静力推覆分析方法的主要步骤。

图5 静力推覆的主要步骤

3 计算结果分析

为考虑高阶振型对高层建筑结构的影响，本文采用Ф1、Ф1+Ф2和Ф1-Ф2三种分布力模态对结构进行静力推覆分析，有文献[8]研究表明，考虑二阶振型的荷载分布的推覆分析基本可以包络大震作用下的结构弹塑性分析结果。

3.1 性能点

图6、图7分别为X、Y方向不同分布力模态的推覆结果，其中Ф1和Ф2分别为X、Y两个方向的第一、第二振型，图中性能点即目标位移。从图6、图7可以看出，不同分布力模态推覆分析得到的X、Y方向的性能点对应的顶点位移基本相同，分别约为0.048 m、0.060 m，可以得出性能点对应的目标位移与推覆分析采用的分布力模态无关，即性能点的位置不受高阶振型影响。

图6 不同推覆力分布F-D曲线(X方向)

图7 不同推覆力分布F-D曲线(Y方向)

3.2 层间位移角

图8、图9分别为X、Y方向Ф1、Ф1+Ф2和Ф1-Ф2三种分布力模态推覆分析下性能点处层间位移角曲线，X、Y方向的层间位移角最大值分别为1/574和1/483，分别对应于结构楼层的第5层和第7层，两个方向的最大弹塑性层间位移角均远小于规范限值1/100，满足大震不倒的抗震设防要求。图中可以看出结构Y方向的结构刚度比X方向的小，层间位移角曲线在局部楼层出现突变，这是由于X方向有较多的剪力墙，局部楼层有桁架转换，结构有平面不规则和竖向刚度不规则。

3.3 构件性能评估

3.3.1 剪力墙

图10为在X、Y方向的Ф1+Ф2和Ф1-Ф2两种分布力模态推覆分析下性能点处剪力墙性能状态图，其中极限状态颜色中蓝、绿、黄、红分别表示达到极限状态为IO、LS、CP、CC。从图10中可以看出，X方向仅仅是底部加强区的剪力墙体的弯曲塑性铰状态达到了LS的性能水准，Y方向只有少量墙体的弯曲塑性铰状态达到了LS性能状态，满足LS的性能目标，处于运行控制性能状态。根据ASCE 41可接受准则和剪力墙性能目标知，本文工程剪力墙的安全储备较多，大震作用下大部分墙体处于运行控制性能段，满足预期的性能目标。

图8 X方向层间位移角

图9 Y方向层间位移角

图10 不同推覆分析下剪力墙的性能状态

3.3.2 连梁(框架梁)

图11为X、Y方向的Ф1+Ф2和Ф1-Ф2两种分布力模态推覆分析下性能点处梁出铰性能状态图，其中极限状态颜色中蓝、绿、黄、红分别表示达到极限状态为IO、LS、CP、CC。从图11中可以看出，X、Y方向梁的铰性能水准大部分为IO，只有部分铰状态达到了LS，个别梁出现了CP铰，满足预期性能目标CP。结合上述结论，可以得出本结构在罕遇地震下梁基本可以保持IO运行控制状态，梁并未发生剪切破坏，有较好的安全储备。

4 结论

Perform-3D是进行结构抗震性能评估的优选软件，本文基于Perform-3D软件，采用Ф1、Ф1+Ф2和Ф1-Ф2三种分布力模态推覆分析对某实际工程进行抗震性能评估，得出结论：

(1)可以得出性能点对应的目标位移与推覆分析采用模态分布力无关，即性能点的位置不受高阶振型影响。

(2)X、Y方向的最大弹塑性层间位移角均远小于规范限值1/100，满足大震不倒的抗震设防要求。

(3)结构构件均满足各自的预期性能目标，结构基本处于运行控制状态，有较好的安全储备。

图11 不同推覆分析下梁的性能状态

[1]谭继可. 基于Perform-3D软件的高层建筑结构抗震性能评估[D].荆州：长江大学,2015.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范：GB 50011—2010[S].北京：中国建筑工业出版社,2011.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑工程抗震设防分类标准：GB 50223—2008[S].北京：中国建筑工业出版社,2008.

[4]中国工程建设标准化协会.建筑结构抗倒塌设计规范：CECS 392—2014[S].北京：中国计划出版社，2015.

[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. Seismic rehabilitation of existing buildings：ASCE 41-06[S].

[7]Mander J B, Priestley M J N, Park R. Theoretical stress strain behavior of concrete[J].Journal of structural engineering,1988,114(8)：1805-1813.

[8]扶长生，张小勇.推覆分析的原理和实施[J].建筑结构，2012，42(11)：1-10.

Perform-3D in structural seismic performance assessment for a high-rise building structure

TAN Ji-ke1, YU Sheng2, SHU Lin3, WEI Jie-jing1

(1.CentralSouthArchitecturalDesignInstituteCo.Ltd.,ChengduBranch,Chengdu610000,China; 2.CentralSouthArchitecturalDesignInstituteCo.,Ltd.,Wuhan430071,China; 3.ConstructionDrawingReviewOfficeofJingzhouJianghanArchitecturalEngineering,Jingzhou434020,China)

Reference to the US performance specifications ASCE 41 to determine the structure seismic performance targets and components acceptable criterion and using pushover analysis method for seismic performance evaluation of the actual structure. The results showed that the angular displacement between the elastoplastic layer and other performance indicators meet regulatory requirements, and the structural members are expected to meet their performance goals, the basic structure is in operational control state.

acceptance criteria; pushover analysis; performance targets

2015-06-26

湖北省自然科学基金(2015CFB194)；中国博士后基金(2014M551055)；岩土力学国家重点实验室开放基金(Z013007)

谭继可(1988-)，男，河南永城人，硕士，助理工程师。

1674-7046(2015)05-0011-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.05.003

TU398

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