某超限高层框架结构静力与动力弹塑性分析探讨

摘要：以某超限高层框架结构为例，分别用EPDA&PUSH软件和SAUSAGE软件进行了静力弹塑性和动力弹塑性分析，将得到的整体指标结果和构件损伤情况进行了对比分析，从构件损伤屈服耗能和能量的角度分析了该结构的弹塑性行为，分析表明两种分析方法均能很好揭示其受力变形特点，本结构在罕遇地震下能满足既定的抗震性能要求。

关键词：框架结构;弹塑性分析;损伤屈服耗能

1 前言

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.11.4条条文说明“特别不规则结构，应采用弹塑性时程分析法”;第5.1.13条规定“B级高度的高层建筑结构和本规程第10章规定的复杂高层建筑结构，宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形”。静力弹塑性分析计算效率高，能快速反应结构的屈服耗能顺序，但由于其不能反应结构的动力效应，且侧向力分布模式的选取对计算结果影响较大;动力弹塑性分析能得到结构全过程的动态响应，包括构件的损伤屈服情况，累积耗能情况等，但其计算结果依赖地震波的选取，具有一定的离散随机性，且计算耗时较长，两种方法各有优劣，亦可相辅相成。结合某建筑高度53.55m，存在“扭转不规则”，“楼板不连续”，和“局部不规则”3项不规则项的超限高层框架结构，分别进行动力弹塑性时程分析和静力弹塑性分析，将两者得到的结果进行了对比和研究，旨在了解结构进入塑性阶段的程度以及结构整体在罕遇地震作用下的抗震性能，验算结构构件的抗震水平，进而寻找结构薄弱环节并提出相应的加强措施。

2 模型建立

本结构计算模型如下图1所示，模型荷载施加在楼板上，按100%恒载和50%活载导算结构的地震作用质量。对主要抗侧力构件截面及配筋按照实际情况进行模拟，选取了7条地震波（编号分别为R1～R2、T1～T5）在SAUSAGE软件中采用精细时间步长的显式动力直接积分方法进行动力弹塑性分析，其中梁柱采用杆系纤维单元进行模拟;静力弹塑性则采用EPDA&PUSH软件，杆系单元两端添加具备一定长度的集中塑性PMM铰来反映材料的非线性行为，能充分考虑构件受到轴力和双轴弯矩的耦合作用，塑性铰各变形状态划分如下图2所示，对可能出现的状态主要划分为以下4级：正常使用B（Operational）、可立即使用IO（Immediate Occupancy）、生命安全LS（Life Safety）、建筑物不倒塌CP（CollapsePre-vention）。B、IO、LS、CP、C均为性能点，其中B点开始出现塑性铰点，C点为倒塌点，C点之后表明构件承载力开始下降，已严重损坏。

3 静力弹塑性pushover分析计算结果

3.1 整体计算结果

3.2 构件损伤结果

这里主要以较不利的Y向计算结果进行探讨，Y方向推覆过程中，发现2～8层首先出现梁塑性铰，接着梁塑性铰从B—IO阶段发展到LS—C阶段，底部框架柱随后也出现损伤，但处于B—IO阶段。到性能点处，大部分框架梁出现塑性铰，部分框架梁和次梁达到C阶段;框架柱出现塑性铰，处于B—LS阶段。

以下主要列出性能点处Y向损伤结果及性能点处构件性能。

4 动力弹塑性分析计算结果

4.1 整体计算结果

以上计算结果表明，所选七条地震波主方向底层地震剪力与多遇地震反应谱计算結果比值在3.4～6.2倍，基本在合理范围之内。7条地震波结构最大层间位移角均小于1/63，满足广东省《高规》规定，在三向地震作用下，结构整体刚度的退化没有导致结构倒塌，满足“大震不倒”的设防要求。

4.2 构件性能分析

各组地震波作用下构件的损伤顺序比较接近，以R2波较不利方向（90°主方向）为例，分析了结构构件的损伤情况，以下列出了部分构件的具体性能分析如图7～图10所示，其中3层柱截面收进位置承载力突变，为薄弱位置，3层柱截面纵筋配筋率提升至2%，体积配箍率提升至1.5%，采用芯柱过渡措施，罕遇地震下3层框架柱出现中度损伤，如下图8所示。图11给出了R2波结构累积能量时程曲线，通对该地震波各时刻各构件的损伤情况发现，第2.4s时刻，框架梁发生轻度损坏屈服，并开始延伸，累积能量曲线中的阻尼耗能开始显现，说明此时结构开始进入屈服耗能阶段;第6.0s时刻，框架梁出现中度损伤;底部框架柱出现轻微至轻度损伤，能量曲线中的阻尼耗能部分逐步增加，结构应变能也呈增加趋势，说明此时结构通过抗力的增加和屈服变形共同承担地震输入的能量;第7.6s时刻，底部框架柱出现中度损伤，大部分框架梁出现中度损伤，但此刻以后能量曲线中应变能部分保持平稳低幅波动，而阻尼耗能部分依然呈不断增加态势，说明此时大部分地震输入的能量大部分被结构的屈服变形和材料自身阻尼所耗散，而结构内部的抗力基本保持平稳，这也是结构设计之初的意图，有意识地引导结构进入屈服状态来抵抗地震动;时程结束，首层、二层框架柱大部分出现轻微到轻度损伤，各层框架梁大部分出现轻微到中度损伤。

5 结论

从以上静力弹塑性和动力弹塑性的分析结果可以看出，两种方法均能很好地揭示结构在罕遇地震下的受力变形与屈服耗能特点，反映出来的弹塑性行为基本吻合，即首先是结构的梁构件进入屈服耗能，对降低竖向构件的损伤起到重要作用，随着大部分梁构件都处于屈服状态后，此时底层框架柱出现轻微至中度损伤，才开始进入屈服耗能阶段，通过结构的屈服变形来耗散大部分地震的输入的能量，符合规范规定的抗震设计时，满足强柱弱梁以及将塑性铰区域控制在结构底部的抗震概念，同时也说明结构在罕遇地震下能满足既定的抗震性能要求。

参考文献：

[1] JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 魏琏，王森，王志远，等.静力弹塑性分析方法的修正及在抗震设计中的应用[J].建筑结构，2006（11）.

[3] 魏琏，刘畅，王森，等，某超限高层框支剪力墙结构动力和静力弹塑性分析[J].建筑结构，2012（11）.

[4] 莫庸，钱铭，宋东伟，等，某超限高层工业框架结构弹塑性分析及性能抗震加固设计[J].四川建筑科学研究，2007.

作者简介：彭子祥（1993—），男，广东广州人，研究方向：结构抗震减振优化。

（作者单位：广东省建筑设计研究院高等建筑结构分析与咨询中心）