周立朋

廣東省建筑設(shè)計研究院北京分院（100081）

某復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)動力彈塑性時程分析研究

周立朋

廣東省建筑設(shè)計研究院北京分院（100081）

通過對某復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力彈塑性時程分析,模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下全過程反應(yīng)，得到其在罕遇地震作用下的彈塑性變形，確定結(jié)構(gòu)薄弱部位和薄弱構(gòu)件,為復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計及優(yōu)化提供參考，避免為增加結(jié)構(gòu)的安全儲備，造成不合理的資源浪費(fèi)。

復(fù)雜高層建筑；動力彈塑性；時程分析；薄弱部位

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng),高層建筑的建設(shè)規(guī)模居世界之前列。房屋的高度和復(fù)雜也不斷增加，不少高層建筑結(jié)構(gòu)超出設(shè)計規(guī)范、規(guī)程的適用范圍和有關(guān)的抗震設(shè)計規(guī)定。如何評估和保證其在地震作用下的可靠性，是眾多結(jié)構(gòu)設(shè)計師在建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計研究中最為關(guān)注的課題。

動力彈塑性分析方法是由結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)直至地震作用結(jié)束逐步積分，能夠計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件在每個地震波記錄時刻的地震反應(yīng)，對結(jié)構(gòu)的整體抗震性能做出了比較合理的評價，是一種評估結(jié)構(gòu)抗震性能的合理方法。

在強(qiáng)烈地震作用下，抗震設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的結(jié)構(gòu)的彈塑性變形驗(yàn)算,實(shí)質(zhì)上就是薄弱樓層的層間彈塑性最大位移是否在其允許的范圍內(nèi)。因此，確定結(jié)構(gòu)的薄弱樓層非常重要。尤其對于一些不規(guī)則結(jié)構(gòu)，采用彈塑性時程分析能夠暴露出結(jié)構(gòu)在彈性分析階段無法顯示的薄弱環(huán)節(jié)，例如樓層的破壞機(jī)制、薄弱部位的過大變形等。此方法能夠較好地真實(shí)反映出結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，通常被設(shè)計師認(rèn)為是結(jié)構(gòu)彈塑性分析最可靠的方法，尤其對于高柔結(jié)構(gòu)。

通過對復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力彈塑性時程分析，得到建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力（基底剪力）和位移的指標(biāo)滿足規(guī)范要求，滿足三水準(zhǔn)中“大震不倒”的設(shè)計要求和三階段設(shè)計中第二階段罕遇地震作用下的“彈塑性變形驗(yàn)算”《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》5.5.5。動力彈塑性分析除了計算整體指標(biāo)之外，還可以提供各構(gòu)件在地震輸入過程中的力和變形（局部變形）發(fā)展的全過程，給出構(gòu)件破壞的性質(zhì)、分布、程度和形成屈服機(jī)制的順序，這些信息更詳細(xì)地記錄了結(jié)構(gòu)在大震反應(yīng)的過程和特征，能夠?yàn)楦倪M(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。同時，準(zhǔn)確的抗震計算也有助于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，避免為了增加安全儲備，不合理地加大截面，造成資源浪費(fèi)。在“基于性能化的抗震設(shè)計”體系中，對構(gòu)件損傷的評估是作為結(jié)構(gòu)抗震性能評價的重要指標(biāo)。

1 動力彈塑性分析的基本原理

多自由度體系在地面運(yùn)動作用下的振動方程為:

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

某高層建筑結(jié)構(gòu)，底部4層局部為商鋪，其余為架空層，5層以上為住宅，共23層，結(jié)構(gòu)高度72.7 m，部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，5層部分轉(zhuǎn)換，平面不規(guī)則，屋頂處局部有退臺。

2.2 地震波的選擇及結(jié)果取值

地震波的選取，對彈塑性時程分析而言至關(guān)重要，因?yàn)椴煌牡卣鸩ǖ慕Y(jié)構(gòu)反應(yīng)有時相差較大，規(guī)范也沒有規(guī)定彈塑性時程分析時的選波依據(jù)。當(dāng)然我們可以逐個波進(jìn)行試算，剔除結(jié)構(gòu)反應(yīng)明顯小的波，再選一組直到選夠?yàn)橹?。但是這樣很浪費(fèi)時間，建議可以按規(guī)范規(guī)定的方法先通過彈性時程分析法選擇滿足規(guī)范要求的波，再進(jìn)行彈塑性分析計算。

2.3 材料本構(gòu)關(guān)系的選擇

鋼材的本構(gòu)關(guān)系選用理想彈塑性模型。

混凝土單軸本構(gòu)關(guān)系選擇三線性模型，三線性模型是按照規(guī)范給出的混凝土本構(gòu)關(guān)系，根據(jù)等能量原則得到的,并且可以考慮塑性階段加載、卸載剛度的降低。

2.4 基于GSNAP的動力彈塑性時程分析

2.4.1 分析結(jié)果的可靠性判斷

下圖為計算工程的頂層平均時程響應(yīng)曲線。

圖1 平均時程曲線

由圖1可以看出頂層平均時程響應(yīng)曲線的波形沒有發(fā)散，說明分析是可靠的。

2.4.2 罕遇地震作用下最大層間位移角和薄弱層

通過計算得到每條地震波作用下各個樓層的平均和最大層間位移角，進(jìn)而得到多條地震波的平均層間位移角均值。這里僅列出0度方向的計算結(jié)果。

圖2 最大層間位移角

通過圖2可以得到，樓層的平均位移角為1/700，滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的要求。由層間位移角曲線和有害層間位移角曲線在5層和24層，27層為薄弱層，實(shí)際中5層為部分轉(zhuǎn)換，24層為平面局部退臺，27層以上為坡屋面，符合結(jié)構(gòu)概念上的判斷。

至于薄弱構(gòu)件的判定可以根據(jù)桿件的塑性鉸和剪力墻的彈塑性狀態(tài)顯示情況判斷。

3 結(jié)語

采用GSNAP可對復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力彈塑性時程分析，通過分析可以真實(shí)反映各個時刻地震作用引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，包括變形、應(yīng)力、損傷形態(tài)（開裂和破壞）等，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的變形是否滿足規(guī)范要求；通過此方法能夠較好地真實(shí)反映出結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，較為準(zhǔn)確的判斷結(jié)構(gòu)的薄弱部位，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供依據(jù)，做到有的放矢。

[1]GB 50011-2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[2]J 186-2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[3]劉軍進(jìn),肖從真,王翠坤,徐自國,田春雨,陳凱.復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)[J].建筑結(jié)構(gòu),2011:34-40.

[4]董建超,常躍州.轉(zhuǎn)換層復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計探討[J].河南建材,2012(02).

[5]王傳甲,陳志強(qiáng),王慶揚(yáng),張勁,閻曉銘,彪仿俊.通用有限元軟件ABAQUS在動力彈塑性時程分析中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),2006(S1).