1、引 言

靜力彈塑性分析法作為抗震性能分析的重要方法之一，通過(guò)進(jìn)行非線性靜力計(jì)算，并將其計(jì)算結(jié)果與彈性反應(yīng)譜相結(jié)合，通過(guò)靜力分析得出結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)和抗震性能。與彈塑性時(shí)程分析方法相比，靜力彈塑性分析方法有很多優(yōu)點(diǎn)：概念清晰、操作簡(jiǎn)單，計(jì)算量小以及可以明確評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制和彈塑性性能，因此被廣泛地應(yīng)用于工程中。運(yùn)用靜力彈塑性分析既可以校核小震作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也可以確定結(jié)構(gòu)在大震作用下的薄弱部位，讓設(shè)計(jì)人員對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱部位進(jìn)行有針對(duì)性的加強(qiáng)。

本工程設(shè)備自重和水平作用力均較大，結(jié)構(gòu)形式采用鋼結(jié)構(gòu)支撐體系，即鋼梁、鋼柱及中心支撐之間的連接全部采用鉸接連接，采用水平支撐形成水平平面剛度層并傳遞本層的水平荷載。鋼結(jié)構(gòu)支撐體系屬于單道抗震防線的結(jié)構(gòu)體系，延性較差，設(shè)計(jì)目標(biāo)擬達(dá)到性能1的水準(zhǔn)。

2、工程概況

某電廠脫硝裝置的鋼結(jié)構(gòu)支架建在新疆地區(qū)，建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為8度（0.2g），建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，結(jié)構(gòu)總高度為23.1m，結(jié)構(gòu)的平面尺寸為42m×14.5m。本工程分別在7.700m，10.000m，13.700m，17.200m、23.100m標(biāo)高平臺(tái)處有重型設(shè)備，單點(diǎn)荷載為550KN～1590KN大小不等，其結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

3、結(jié)構(gòu)靜力彈塑性Pushover分析

應(yīng)用MIDAS/GEN 程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力彈塑性Pushover分析的步驟如下：①建立結(jié)構(gòu)模型；②定義并分配桿件塑性鉸；③確定側(cè)向加載模式及分析工況；④結(jié)果分析和性能評(píng)價(jià)。

3.1 建立結(jié)構(gòu)模型

本工程的所有梁、柱、柱間支撐均采用軋制或焊接H型鋼斷面，材質(zhì)為Q345B；所有水平支撐均采用單角鋼或雙角鋼T形組合截面，材質(zhì)為Q235B；各樓層平臺(tái)行人走道鋪鋼格柵板。主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷面見(jiàn)表1。

＞＞圖1 三維模型圖

由于本結(jié)構(gòu)在平面和立面均極不規(guī)則，為準(zhǔn)確反映本結(jié)構(gòu)在大震作用下的彈塑性性能，應(yīng)用MIDAS/GEN 程序建立空間桿系模型作為本結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析模型。

3.2 定義桿件塑性鉸

本文對(duì)鋼梁、鋼柱和支撐都選用MIDAS/GEN程序中適合鋼構(gòu)件的三折線鉸，其彈塑性本構(gòu)曲線如圖5所示。其中柱和梁定義為PMM鉸，柱間支撐定義為軸力鉸。塑性鉸一般設(shè)置在彈性階段內(nèi)力最大位置處，梁、柱單元的彎曲鉸和壓彎鉸（PMM）一般設(shè)置在構(gòu)件的兩端；軸力鉸可在任意位置處設(shè)置一個(gè)，也可在支撐兩端設(shè)兩個(gè)。

3.3 側(cè)向加載模式

進(jìn)行靜力彈塑性分析時(shí)，首先要給結(jié)構(gòu)施加重力荷載，再施加側(cè)向荷載。側(cè)向荷載直接影響到靜力彈塑性分析的結(jié)果，最理想的分布模式是相似于在設(shè)計(jì)地震作用下結(jié)構(gòu)各樓層地震作用慣性力的分布模式。本文選擇了振型荷載加載模式，即同一方向的第一振型，每一節(jié)點(diǎn)的水平力與振型角頻率平方、振型位移以及分配給節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量成比例，力的作用方向與振型位移方向相同，振型荷載相當(dāng)于倒三角分布的側(cè)向荷載。

3.4 分析控制

在Pushover分析中，指定的荷載模式成比例地施加給結(jié)構(gòu)，施加在結(jié)構(gòu)上的荷載可以使用力控制或位移控制。一般地，在已知的荷載水平且結(jié)構(gòu)有能力承受此荷載的情況下，可以使用荷載控制；當(dāng)以達(dá)到已知的位移為目標(biāo)，施加在結(jié)構(gòu)上的荷載是未知量，或荷載作用結(jié)果是使結(jié)構(gòu)失去強(qiáng)度或穩(wěn)定性時(shí)，可以使用位移控制。

本文重力荷載的加載采用荷載控制，水平荷載的加載使用位移控制，控制指標(biāo)為指定特定節(jié)點(diǎn)在特定方向上的目標(biāo)位移為結(jié)構(gòu)總高度的10%。

3.5 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，宜對(duì)本結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性變形驗(yàn)算。需求譜由我國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范地震反應(yīng)譜從傳統(tǒng)的加速度-周期譜轉(zhuǎn)換為加速度-位移譜得到。

圖2和圖3給出了結(jié)構(gòu)X、Y方向的能力譜-需求譜曲線。

性能點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相應(yīng)狀態(tài)阻尼比下的能力譜與需求譜的交點(diǎn)，程序通過(guò)迭代計(jì)算得出。本工程結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)的各個(gè)參數(shù)詳見(jiàn)表2，表中Sa，Sd表示譜加速度及譜位移，U和V 表示結(jié)構(gòu)頂層位移和結(jié)構(gòu)的基底剪力。從計(jì)算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)在大震作用下的性能點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，結(jié)構(gòu)底層4個(gè)柱子出現(xiàn)了塑性鉸，結(jié)構(gòu)下部少部分柱間支撐出現(xiàn)塑性鉸，梁上沒(méi)出現(xiàn)塑性鉸。結(jié)構(gòu)頂層位移小于抗震規(guī)范規(guī)定的大震作用下彈塑性位移限值[U］=23.1X1/50 =0.462m，且各層平臺(tái)層間位移角均不大于1/50的限值，滿足規(guī)范要求。

＞＞表1 構(gòu)件截面表

＞＞圖2 X方向能力譜-需求譜曲線

＞＞圖3 Y方向能力譜-需求譜曲線

＞＞表2 Pushover 分析性能點(diǎn)

＞＞表3 結(jié)構(gòu)性能等級(jí)與允許變形的關(guān)系

4、結(jié)構(gòu)的性能評(píng)價(jià)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,各個(gè)性能水準(zhǔn)下的層間位移參考指標(biāo)，可參考表3的示例選用：

據(jù)此，綜合評(píng)價(jià)本結(jié)構(gòu)的性能如下：

（1）綜合前文各方向各工況性能點(diǎn)的評(píng)價(jià)，該工程滿足設(shè)計(jì)使用要求。

（2）本結(jié)構(gòu)在罕遇地震下只有小部分支撐和個(gè)別柱屈服，結(jié)構(gòu)基本完好，結(jié)構(gòu)變形與彈性變形位移限值相當(dāng)，相應(yīng)于性能1的水準(zhǔn)，符合抗震規(guī)范中“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

5、結(jié)論

（1）本工程中的主結(jié)構(gòu)構(gòu)件在大震作用下基本處于彈性狀態(tài)，僅有個(gè)別柱和少部分支撐進(jìn)入了屈服狀態(tài)，且大震作用下的整體側(cè)向位移較小，表明本結(jié)構(gòu)橫向剛度較好。

（2）由于支撐體系屬于單道抗震防線的結(jié)構(gòu)體系，為保證結(jié)構(gòu)在大震下的安全性，建議做到罕遇地震作用下所有構(gòu)件均不出現(xiàn)塑性鉸。

（3）通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)支撐體系的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析，找出在罕遇地震作用下進(jìn)入塑性狀態(tài)的構(gòu)件并進(jìn)行加強(qiáng)，提高整體結(jié)構(gòu)抗震能力。