大跨度预应力混凝土框架动力弹塑性时程分析

蒋志成,李 晨

(安徽建筑大学土木工程学院,安徽 合肥 230000)

1 工程概况

本文采用某综合训练馆的实体项目,位于安徽省合肥市。按照建筑功能要求,本工程采用大跨度钢筋混凝土结构,一层层高是7.9米,二层层高是6.7米,三层层高是9.4米,柱网为横向 8.7m和11.1m，纵向为2跨30m, 其中一楼和二楼的2跨30m框架均采用连续预应力大梁,屋顶纵向为60m大跨。此外,分析模型只采用了整个结构的部分,且屋顶的钢网架不纳入建模,采用建立虚梁来完成屋顶面荷载的传导和有限元中考虑对结构整体效应的影响。

该建筑所处的地区为7度抗震设防,设计基本加速度值为 0.15g,设计地震分组为第一组,二类场地土。特征周期为0.35s。结构安全等级为二级,设计使用年限为50年。混凝土结构的环境类别：地下部分环境类别为二类,地上部分为一a类。地基基础设计等级为丙级。

在Midas Building进行有限元分析,其中的梁和柱采用有限元软件Midas中的梁单元,预应力梁采用的混凝土材料强度为C40,普通钢筋砼梁和砼柱采用C30混凝土。楼板采用面单元模型,材料强度为C30的混凝土。预应力筋的强度标准值为fptk=1860N/mm2,预应力筋的张拉控制应力σcon=0.75fptk=1395N/mm2。经过计算预应力损失为张拉控制应力的25%,那么有效预应力值为1046MPa。因为工程结构中的实际地震荷载是在有恒载和活载施加后的结构基础上进行布控的,所以在MIDAS/Building软件中,勾选“使用初始荷载：1×DL(恒载)+0.5×LL(活载)”,所以本次动力时程分析将选用此荷载设置作为其初始步的起始荷载。弹塑性模型规模为：节点数834,单元数：2243,梁铰数315个,柱铰数117个。

图1 整体模型图

关于地震波的选取原则,在《抗规》(GB 50011—2010)中有很详细地论述,该规范从频谱特性、有效峰值和持续时间这三个方面做出了具体规定。本文动力时程分析时考虑到合肥历史上未有强震记录,并按照《抗规》中这三项要求,从Midas Building软件自带的地震波中选取了一条有代表性的地震波,即TH1TG040(1987,sfs-48-w)。

地震波加速度峰值取为220gal。地震波记录的波形图见2,该地震波的特征周期0.4秒,有效峰值加速度0.4136g(放大系数1.1659),持续时间37.84秒。考虑模型在静力分析中,预应力大梁全部沿Y向布置,X向和Y向刚度存在差异,故地震波采用单向X向加载和单向Y向加载相结合。

2 罕遇地震下结构的动力时程反应的结果

2.1 结构的层间位移角

图2 TH1TG040地震波

图3 X向地震作用下的层间位移角

图4 Y向地震作用下的层间位移角

根据上述图 3和图4,得出地震波作用下最大层间位移角：在所选X向地震波作用下,结构的最大层间位移角分别为：0.0082；在所选Y向地震波作用下,结构的最大层间位移角分别为：0.00725。且可以发现,在两个方向上都是顶层的层间位移角最大,这是因为顶层的层高相比其他层较大而且层剪力值大。

由我国抗震规范(GB50011-2010),对罕遇地震作用下的层间位移角有限值要求,其中钢筋砼结构不得超过1/50。所以文中结构在X和Y方向弹塑性层间位移角均满足规范的规定。

2.2 结构的顶点位移时程曲线

从X、Y向地震作用下顶点位移时程曲线图中表明,结构在X向地震 波作用下顶点位移最大为0.08m和-0.09m；在Y向地震下为0.08m和-0.10m。结构在短时间内顶点位移较大,主要是所选波前期振幅较大,到了中后期振幅不大,对结构的影响较小。结构在两个地震下的最大顶点位移比较接近而且位移时程曲线和所选地震波的总体趋势保持一致。

2.3 结构在地震波作用下塑性发展状况

按照FEMA356规范规定,LS阶段(Life Safety)梁允许的塑性转角是0.02,柱LS阶段允许的塑性转角是0.01,柱IO阶段(Immediately Occupancy)塑性转角是0.003。通过地震作用下结构的框架铰变形图可得,在X向地震下,本结构的梁铰的最大塑性转角变形是0.00929；本结构的柱铰的最大塑性转角变形是0.00858；在Y向地震下,本结构的梁铰的最大塑性转角变形是0.00143；本结构的柱铰的最大塑性转角变形是0.00104。也就是说在所选罕遇地震下,本结构的梁在处于LS阶段,以及柱在处于IO阶段,都满足结构设计所设定的性能指标。

由地震作用下结构的框架铰变形图可以看出,在罕遇地震作用下,无论是X方向还是Y方向,结构都没有构件进入破坏阶段。大部分框架柱保持完好,只处于第一阶段即开裂未屈服,非预应力梁绝大部分进入了屈服阶段,预应力梁都未达到屈服,还处于弹性阶段。由此可以看出,达到了强柱弱梁的设计目标。

3 结语

通过软件的动力弹塑性分析功能,对大跨预应力训练馆的模型进行了动力时程分析,文中动力弹塑性最终计算结果可看出各指标都小于规范中相应的限值。该大跨预应力框架结构在罕遇地震作用下,结构的非预应力梁发生塑性变形,预应力梁基本完好,符合“强柱弱梁”的设计要求,且水平位移较大,具备一定的延性。