某8度区超限办公楼静力弹塑性分析

张尓旋，李培

(1.北京建筑大学，北京100044；2.华诚博远（北京）工程设计集团有限公司，北京100052)

某8度区超限办公楼静力弹塑性分析

张尓旋1，李培2

(1.北京建筑大学，北京100044；2.华诚博远（北京）工程设计集团有限公司，北京100052)

本工程运用MidasBuilding结构设计软件进行静力弹塑性分析，总结出结构在罕遇地震作用下的破坏特点。找到性能点处的极限层间位移角，并验证是否满足规范限值要求；通过统计框架铰状态，分析结构的安全性和布置的合理性；观察墙体混凝土的应变水平，可找到竖向构件的薄弱环节，在设计深化环节中适当加强。

静力弹塑性；塑性铰；性能点

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.007

1 工程概况

本工程位于北京市，抗震设防烈度为8度，三类场地;框架剪力墙结构，地上 12层，地下 3层；总建筑面积为60000m2，地上总高度为41.5m（见图1）。建筑的使用功能主要是办公和相应区域配套用结构主体体型呈工子型（见图2），共有5项不规则，属超限结构。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）[1]规定，需进行静力弹塑性分析。

图1 某工程结构主体三维示意图

用振型分解反应谱法计算所得结构特性详见表1。

表1 结构整体信息表

图2 某工程典型楼层轴测图

2 定义静力弹塑性分析荷载工况

1）在进行静力弹塑性分析之前，先定义结构的初始内力状态，考虑结构的初始荷载。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）[2]3.11.4中规定，复杂结构应进行施工模拟分析，以施工全过程完成后的内力状态为初始状态，因此，定义恒载加0.25倍活载为结构的初始竖向荷载。

2）本工程选用层剪力的模式模拟侧向荷载的加载，以便能够真实地反应实际的地震力分布，从而获得结构的水平加载能力曲线。电算中先用振型分解反应谱法计算结构各楼层的楼层剪力，并由各楼层的层间剪力计算得出的水平荷载，作为下一步侧向荷载的分布形式。

3 定义静力弹塑性铰

1）为保证本工程静力弹塑性分析的准确性，在模型中选用具有非线性铰特性的弯矩-旋转角梁柱单元。各构件主要分为以下3种情况。

（1）框架梁：主要考虑内力成分为My

（2）框架柱：主要考虑内力成分为My，并考虑柱子轴力与两个方向弯矩的叠加作用，铰内力关系为P-M-M相关。

（3）剪力墙采用纤维模型。

2）梁、柱单元力和变形的关系曲线选用FEMA曲线，用以定义框架铰的非线性特性值[3]。

图3 FEMA曲线示意

图3中，A-B区段为弹性区段，经过屈服点B后，B-C区段开始进入应变强化阶段，在此区段内构件刚度为初始刚度的5%～10%，此时开始对相邻构件进行内力重分配；c点为构件的极限承载力，下降段C-D为构件初始破坏阶段，此时构件的主筋断裂、混凝土破裂。点E为极限变形状态，此时构件无法继续承受重力荷载。同时，在B-C区段内，还出现了几个单独设定的控制点，分别是IO（ImmediateOccupancy）可立即使用极限状态、LS（LifeSafety）生命安全极限状态、CP（Collapse Prevention）防止倒塌极限状态，用以区分不同的设防水准要求[4]。

4 罕遇地震作用下的结构整体评价

4.1 性能点处的最大层间位移角和大震作用下的基底剪力

在进行静力弹塑性分析设计后，可得到结构X、Y方向的能力谱-需求谱曲线。因文章篇幅关系，仅以Y方向为例进行说明。在推覆的过程中，结构的性能点在推覆第21步出现（见图4）。

图4 Y方向能力谱-需求谱曲线

图5 Y方向极限层间位移角

由Y方向性能点处极限层间位移角（见图5）数据分析可知，在罕遇地震作用下，最大层间位移角出现在第4层，约为楼总高的1/184，小于规范要求大震不倒的1/100，满足大震不倒要求。

在性能点处，结构主体在罕遇地震作用下的最大基底剪力约为78 000kN（见图6），相比于用反应谱法得出的多遇地震下的基底剪力35 109kN（见表1），比值约为2～3倍之间，较为合理。

图6 Y方向最大基底剪力

4.2 性能点处的框架铰状态

如图7所示，以Y方向为代表说明，在性能点处，框架铰的出铰位置大部分在梁端，体现了强柱弱梁的设计思路，且根据楼层铰数量的统计表格结果显示，框架梁铰中83%以上呈弹性，约12%梁铰呈B（屈服）阶段，LS（life safety生命安全）阶段不足1%；框架柱中，92%以上柱铰成弹性，约7%柱铰屈服，无呈破坏状态柱铰。

图7 性能点处Y向框架铰状态

根据框架较状态图（见图7）和统计表格（见表2、表3），可直观反映出在罕遇地震作用下，大部分框架构件完好无损，呈弹性阶段；约12%梁端轻微损坏，出现裂缝，进入塑性阶段，但塑性程度较浅。梁柱无严重破坏，因此,可以判定整个框架体系布置较为合理。

表2 FEMA梁铰状态统计表

表3 FEMA柱铰状态统计表

4.3 性能点处的墙铰状态

图8 性能点处Y向墙混凝土应变等级

如图8所示，以Y方向为代表说明，在性能点处，剪力墙破坏位置基本出现在连梁，充分发挥出了连梁作为耗能构件的作用。90%以上的剪力墙混凝土应变等级处于三级以下；底层局部剪力墙应变等级达到四级至五级，混凝土被压碎，暴露出了结构的薄弱部分，此部分墙体将在设计和施工时予以加强。

5 结语

通过静力弹塑性分析，对本工程在罕遇地震作用下进行变形研究，反应出结构在大震作用下的弹塑性受力性能。用施加单调增加的水平荷载方式对结构进行推覆，以FEMA为骨架曲线考虑框架铰的变形特性，模拟真实受力情况定义构件的塑性铰位置。以结构的实际配筋进行分析，找到性能点后，分析结构的受力和变形特点，明确结构的薄弱部位，并评估整体结构、结构构件的抗震性能。得知主体结构在罕遇地震工况下位移满足规范限值，框架铰的分布满足“强柱弱梁”的概念设计要求；底部墙体钢筋未屈服，局部混凝土被压缩，发现了在设计中应重点加强的部位，对后续设计深化能起到指导作用。

【1】GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].

【2】JGJ3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].

【3】汪大绥,贺军利,张凤新.静力弹塑性分析(PushoverAnalysis)的基本原理和计算实例[J].世界地震工程,2004,20(1):45-53.

【4】赵继,高德志,侯晓武.MidasBuilding静力弹塑性分析原理及实现[J].建筑结构,2013,43(1):836-841.

Ultra-limit Structure Pushover Analysis in Eight Degree Earthquake Area

ZHANGEr-xuan,LIPei

(1.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture，Beijing 100044,China; 2.Huachengboyuan(Beijing)ArchitectureDesign&Urban Planning Co.Ltd.，Beijing 100052,China)

Thisprojectanalyzesthestaticelastic-plasticitybyapplyingtheMidasBuildingstructuredesignsoftware,andsummarizesthe damagefeaturesofthestructureundertherareevent ofearthquake.Thispaperwill testand verifywhetherthespecificationlimitissatisfied afterfindingtheultimateinter-storydisplacementangleattheperformancepointandwillanalyzesafetyofthestructureandrationalityofthe layoutbycountingtheframeworkcondition.Theobservationaboutthestrainlevelofthewallconcretecanleadtothevulnerablespotsinthe verticalmembers,whichcanbesuitablyreinforcedinthedesigndevelopmentphase.

staticelastic-plasticity;plastichinge;performancepoint

TU313

A

1007-9467（2016）07-0044-03

2016-03-25

张尓旋(1988～)，男，北京人，助理工程师，从事混凝土结构设计与研究，（电子信箱）13488804703@126.com。