设防地震作用下对房屋结构进行弹塑性时程分析

高少波, 李文君, 张德成, 卢　挺

(1.南充市政府投资非经营性项目代建中心, 四川南充 637000;2. 中国建筑西南设计研究院有限公司, 四川成都 610000)



设防地震作用下对房屋结构进行弹塑性时程分析

高少波1, 李文君1, 张德成1, 卢挺2

(1.南充市政府投资非经营性项目代建中心, 四川南充 637000;2. 中国建筑西南设计研究院有限公司, 四川成都 610000)

文章针对某项目结构的特点，设防地震作用下(中震)，采用EPDA软件进行了模型的弹塑性时程分析，考察在设防水准地震作用下结构弹塑性的发展历程和构件的损伤程度，并对构件能否达到预期性能目标进行校核。

设防地震；弹塑性时程分析；性能目标

1　工程概况和结构体系

本工程建筑高度约31.2 m，地上4层，地下1层，无裙楼，平面呈近似正方形。地下室投影尺寸约为114 m×107 m，地下1层主楼范围之外还另设局部纯地下室。由于建筑功能分区需要，本项目1～3层标高关系错落不一，混凝土筒体之外采用框架结构。3、4号混凝土筒体在二层高度范围内(标高7.130～13.500 m)设置局部悬挑桁架。到4层竖向仅保留4个12.5 m×13.0 m的混凝土筒体，混凝土筒体范围投影尺寸为65.7 m×65.7 m。利用第4层的高度，混凝土筒体之间采用钢桁架连接，钢桁架高度7.5～9.1 m，净跨约40 m，外挑15～18 m，4层中间设置局部设备夹层。本工程高宽比约为0.47，长宽比约为1.0。地下室底板顶标高-7.2～-6.3 m。采用混合结构体系 (钢筋混凝土筒体—钢桁架—混凝土框架)，结构计算模型如图1所示。

图1　工程模型

2　计算程序和模型假设

计算程序为中国建筑科学研究院研制的EPDA结构动力弹塑性分析程序。在PMSAP模块设计配筋的基础上，自动生成用于弹塑性时程分析的非线性模型，其中梁、柱构件采用纤维束模型模拟，剪力墙采用非线性壳单元模拟。分析中，结构的阻尼比取4 %，并考虑了二阶效应(P-Δ)的影响。

3　选用的地震波

本工程场地及其附近无断裂通过，岩层平缓，属构造稳定地块。按 6 度( 0.05g)设防考虑。设防地震下的结构非线性时程分析采用天然地震波(N1和N2)和人工波R2共三组地震波作为输入。人工波R2主分量和次分量的加速度时程分别如图2～图7所示。地震波水平主分量的加速度峰值按照《抗规》的规定调整为51 cm/s2，水平次方向的加速度峰值调整为43.35 cm/s2。结构阻尼比取0.04。设计地震分组为第一组，场地类别Ⅱ类，基本风压值(100年)0.35 kN/m2，风荷载体型系数取为1.3，地面粗糙度B类。抗震等级分为混凝土筒体二级、钢桁架三级、混凝土框架三级。

图2　人工地震波R2主分量加速度时程

图3　人工地震波R2次分量加速度时程

图4　天然地震波N1主分量加速度时程

图5　天然地震波N1次分量加速度时程

4　计算分析

4.1弹塑性时程分析

设防地震水准下结构在三组地震波输入情况下的顶层位移如图8～图13所示。

图6　天然地震波N2主分量加速度时程

图7　天然地震波N2次分量加速度时程

图8　设防地震非线性时程分析所得结构顶层位移时程(地震波为N1，X主向)

图9　设防地震非线性时程分析所得结构顶层位移时程(地震波为N2，X主向)

图10　设防地震非线性时程分析所得结构顶层位移时程(地震波为R2，X主向)

图11　设防地震非线性时程分析所得结构顶层位移时程(地震波为N1，Y主向)

图12　设防地震作用下结构顶层位移时程(地震波为N2，Y主向)

图13　设防地震作用下结构顶层位移时程(地震波为R2，Y主向)

结构在设防地震作用下的弹塑性层间位移角如图14所示，X主向和Y主向时最大层间位移角分别为1/450(第3层)和1/1057(第3层)，分别为规范弹性层间位移角限值的1.78倍和0.76倍，均小于设防地震水准下结构性能目标所定位移角限值1/400。

(a)X主向

(b)Y主向图14　设防地震作用非线性分析所得结构层间位移角分布

同时由人工波R2得到剪力墙筒体顶点最大位移值最大为13.6 mm，按单层层高为31.2 m计算，得到最大位移角为1/2294，也小于设防地震水准下结构性能目标所定位移角限值1/400。

结构底部剪力时程如图15～图20所示。各组地震波X向底部剪力峰值与相应多遇地震水准时底部剪力峰值之比的平均值为1.49，Y向为1.14。设防地震和多遇地震的主分量加速度峰值之比为2.83。X主向和Y主向设防地震作用下结构底部剪力峰值与相应的多遇地震作用下结构底部剪力峰值之比均小于加速度峰值之比，表明结构在设防地震作用下部分连梁出现塑性铰后，结构刚度有所下降，结构部分耗能机制已经形成，吸收的地震作用较相应的弹性结构有所减小。

图15　设防地震非线性分析所得结构底部剪力时程(地震波为N1，X向)

图16　设防地震非线性分析所得结构底部剪力时程(地震波为N2，X向)

图18　设防地震非线性分析所得结构底部剪力时程(地震波为N1，Y向)

图19　设防地震非线性分析所得结构底部剪力时程(地震波为N2，Y向)

图20　设防地震非线性分析所得结构底部剪力时程(地震波为R2，Y向)

4.2结构弹塑性发展历程

在设防地震作用下，结构顶点最大位移时刻X方向和Y方向裂缝分布及变形分别如图21、图22所示。第一时间步时刻，钢筋混凝土混凝土筒体顶部就已经出现了少量竖向裂缝(该裂缝为重力荷载作用下桁架上弦杆传来的拉力所致)，随着竖向地面运动加速度的变化，混凝土筒体顶部出现竖向裂缝的范围逐渐增大，部分混凝土筒体连梁和钢次梁出现塑性铰。在设防地震作用下结构剪力墙仅顶部和中部有钢桁架大悬挑的墙肢混凝土出现竖向裂缝，其余部位未发生屈服。主桁架上下弦杆、框架梁、框架柱均不屈服，仅边次桁架下弦杆与主桁架交点处部分出现了塑性铰。2～6层部分筒体的连梁以及少量钢次梁出现了塑性铰，耗散了输入结构的地震能量。

图21　设防地震下顶点最大位移时刻X方向裂缝分布及变形

图22　设防地震作用下顶点最大位移时刻Y方向裂缝分布及变形

5　结论

在设防水准地震作用下，弹塑性时程分析法的结果均表明:结构的侧移指标(层间位移角)满足规范要求，结构的塑性发展主要表现为混凝土筒体连梁和钢次梁出现塑性铰。在设防地震作用下筒体仅顶部和中部有钢桁架大悬挑的墙肢混凝土出现竖向裂缝(该裂缝为重力荷载作用下桁架上弦杆传来的拉力所致)，其余部位未发生屈服。主桁架和框架柱均不屈服，仅次桁架部分出现了塑性铰。各结构构件及整体结构在设防水准地震作用下能够满足预定的性能目标要求。

[1]中国建筑西南设计研究院有限公司.南充市博物馆建设项目超限高层抗震专项审查报告[R].2014.

[2]GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].

[3]JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

TU311.41

B

[定稿日期]2016-02-26