李其成， 吳 珂， 徐 彬， 沈小璞,*

(1.安徽省工業(yè)工程設計院，安徽 合肥 230001;2.安徽建筑大學土木工程學院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

依據(jù)國家標準“建筑抗震設計規(guī)范”GB50011(以下簡稱“抗規(guī)”)第3.6.2條規(guī)定[1]，不規(guī)則且具有明顯薄弱部位可能導致重大地震破壞的建筑結構，應進行罕遇地震作用下的彈塑性變形分析，且可以根據(jù)結構特點采用靜力彈塑性分析或彈塑性時程分析方法。

國內(nèi)外結構彈塑性動力時程分析軟件較多，受到業(yè)內(nèi)認可軟件如ABAQUS,PERFORM-3D,SAUSAGE,MIDAS,SAP2000等，都是功能強大的結構分析軟件[2]。SAUSAGE軟件是“CPU+GPU”雙模式計算的結構動力彈塑性分析軟件[3]，與其他彈塑性動力時程分析軟件相比，具有模型轉換方便、可直接采用PKPM軟件系統(tǒng)的計算結果、計算收斂性好等優(yōu)點[4]。

文中使用SAUSAGE軟件，對某實際超限框架結構工業(yè)廠房進行動力彈塑性分析，研究該結構在大震作用下的相關抗震性能指標，并給出了改進建議。

1 理論基礎

1.1 材料本構關系

1.1.1 混凝土

混凝土材料采用“混凝土結構設計規(guī)范”GB50010(以下簡稱“砼規(guī)”)確定的單軸本構模型[5]，按附錄C公式(C.2.4-1)～(C.2.4-5)計算。此混凝土材料模型適用于梁、柱和支撐等構件，混凝土拉壓應力應變曲線見圖1(圖中“受拉為負，受壓為正”)。

圖1 混凝土單軸應力-應變曲線

1.1.2 鋼 筋

鋼筋采用雙線性隨動強化模型，適用于梁、柱和支撐等構件，單調(diào)加載應力應變曲線按“砼規(guī)”附錄C公式C.1.2-2計算。鋼筋單調(diào)受拉應力應變曲線見圖2。

圖2 鋼筋單調(diào)加載應力-應變曲線

1.2 柱、梁、板彈塑性模型

文中框架結構主梁、柱和斜支撐均采用Timoshenko梁[6]單元模型，次梁采用考慮剪切變形的經(jīng)典梁修正模型，兩端鉸接的梁、兩端鉸接的斜撐采用桿單元。樓板采用殼單元模擬，該模型基于平板殼元模型。

1.3 阻 尼

SAUSAGE中阻尼參數(shù)項，可選擇基于振型分解的振型阻尼和Rayleigh阻尼。本工程阻尼參數(shù)基于能有效抑制結構高階振動[7]的振型分解阻尼。對于原鋼筋混凝土框架結構(改進前結構)模型阻尼比設置為5%，計算振型個數(shù)取為24個。對于改進后結構模型，由于增加了鋼支撐，阻尼比設置為4.5%[8]，計算振型個數(shù)仍取為24個。

1.4 結構抗震性能目標與水準

在SAUSAGE軟件中主要以混凝土受拉壓損傷因子及鋼材的塑性應變程度作為評定標準[4]。依據(jù)“高層建筑混凝土結構技術規(guī)程”JGJ3(以下簡稱“高規(guī)”)第3.11條規(guī)定[9]，將構件的損壞程度劃分為無損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴重損壞五個水準，具體劃分標準見圖3。

其中梁柱εp/εy表示梁柱鋼筋塑性應變與屈服應變比值上限，梁柱dc表示梁柱混凝土受壓損傷系數(shù)上限，梁柱dt表示梁柱混凝土受拉損傷系數(shù)上限。根據(jù)建筑使用功能和結構布置特點，將項目抗震性能目標定為D級。

圖3 SAUSAGE構件損傷評價標準

2 工程概況

2.1 基本情況

工程項目位于安徽省合肥市，廠房地上6層，第2層和第3層之間有一夾層。房屋總高度為21.950m，使用功能為生活垃圾預處理，結構類型為鋼筋混凝土框架結構。建筑總建筑面積2275m2，建筑占地面積1180m2。

設計使用年限為50年，生產(chǎn)類別為丙類，耐火等級為二級?？拐鹪O防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，混凝土框架結構的抗震等級為三級。改進前結構布置見圖4，結構層號、標高及層高見表1。數(shù)值模擬共建立了8層，其中將夾層也作為一層加進了SAUSAGE中分析，模型的嵌固端設置在基礎頂面。

表1 結構層號、標高及層高表

針對原結構進行改進，在結構兩端增加型鋼支撐，鋼支撐采用HW400X400的型鋼，改進后結構布置及支撐布置見圖5。

2.2 工程超限情況

(1)樓板局部不連續(xù)：結構第四層開洞面積約為403m2，該樓層面積約為1008m2，開洞面積占樓面面積的40%。

(2)結構側向剛度不規(guī)則：結構第二層沿x方向、y方向剛度比分別為0.86,0.65，均小于1。

(3)結構扭轉不規(guī)則：結構二～六層結構層間位移分別為1.40,1.64,1.53,1.51,1.24，均大于1.2。

圖4 結構模型圖及平面布置圖

3 質(zhì)量與動力特性[10]

SATWE與SAUSAGE計算得到的結構總質(zhì)量和初始模態(tài)特征周期見表2。初始模態(tài)的誤差最大值為4%，結構總質(zhì)量誤差為1%，說明了SAUSAGE中建立的數(shù)值模型在精度上是滿足要求的。

表2 總質(zhì)量和周期對比

圖5 改進后結構模型及支撐布置圖

4 樓層位移與層間位移角

罕遇地震作用下，改進前與改進后的結構樓層位移和層間位移角見表3和表4。對于改進前結構，可從表3中看出：在地震作用工況TH002TG045_X下，第七層x方向最大層間位移角為1/49，大于“抗規(guī)”中規(guī)定的鋼筋混凝土框架彈塑性層間位移角限值1/50，即不能能滿足大震不倒的水準目標。而改進后的結構在罕遇地震作用下第七層x方向最大層間位移角由1/49降低為1/69，滿足小于層間位移角1/50的限值，說明結構改進后模型能夠滿足預期要求。

圖6 改進前、后結構各樓層傾覆力矩

此外，由表3、表4分析可知，改進后的框架結構，在x方向和y方向上的最大頂點位移均有大幅度所減小，最大頂點位移減小48.56 %，最大層間位移角減小28.99 %。

表3 改進前、后結構x向樓層位移與層間位移角

表4 改進前、后結構y向樓層位移與層間位移角

注：工況后綴_a表示結構改進前，_b表示結構改進后。

(a)改進前結構 (b)改進后結構

(a)改進前結構 (b)改進后結構

5 基底剪力與傾覆力矩

改進前、后結構基底剪力見表5，各樓層的傾覆力矩見圖6。由表5分析可知：對于改進前結構，大震下和小震下基底剪力比最小值為2.75，說明原結構具有一定的耗能能力；對于改進后結構，大震下和小震下基底剪力比最小值為6.34，說明改進后結構耗能能力有明顯提高。從圖6分析可知，結構改進后在x向、y向傾覆力矩均有所增大。

表5 改進前、后結構基底剪力

6 構件損傷

在罕遇地震作用下，結構在改進前、后框架梁、柱損傷情況分析統(tǒng)計見圖7和圖8。從圖7、圖8的構件損傷統(tǒng)計和分析中可知，改進前的框架結構有14%的梁進入中度損壞狀態(tài)，有1%的梁進入比較嚴重損壞狀態(tài)；而框架柱有48%進入中度損壞狀態(tài)，7%進入比較嚴重損壞狀態(tài)。

對于改進后的框架結構，有5%的梁進入中度損壞狀態(tài)，而沒有梁進入比較嚴重損壞狀態(tài)；至于框架柱也只有17%進入中度損壞狀態(tài)，并沒有框架柱進入比較嚴重損壞狀態(tài)。因此，改進后的框架結構在大震作用下構件的損傷程度明顯下降。

7 結 論

(1)改進前結構在罕遇地震作用下，結構層間位移角超限，框架柱進入比較嚴重損壞狀態(tài)，不能滿足D級抗震性能目標。改進后的框架結構，結構層間位移角減小到1/50以下，滿足了規(guī)范要求。進入比較嚴重損壞狀態(tài)的框架柱也轉為中度破壞狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)大震不倒的抗震性能目標。

(2)文中的分析與比較結果可作為類似復雜框架結構設計時的借鑒，避免出現(xiàn)類似重復的問題出現(xiàn)。對于既有超限工業(yè)廠房框架結構，本工程的改進方案具有一定參考價值。

(3)經(jīng)過反復測試，數(shù)值分析模型最終選用CPU作為SAUSAGE軟件的求解設備。因為在使用NVIDIA顯卡的GPU進行求解時，出現(xiàn)了計算速度慢于CPU、計算過程中程序崩潰等不穩(wěn)定情況。關于如何正確使用GPU進行求解，將是下面要研究的內(nèi)容。