不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能評價

 不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能評價

　　關(guān)鍵詞：不規(guī)則；建筑；抗震性

　　一、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)反應(yīng)的原因

　　第一是樓層質(zhì)心的偏移，這是由于質(zhì)量分布的隨機(jī)性造成的，主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)自重和荷載的實(shí)際分布變化，質(zhì)量中心與結(jié)構(gòu)的幾何中心不重合，存在一定程度的偏離；第二，由于施工工藝和條件的限制、構(gòu)件尺寸控制的誤差、結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)的變異性、構(gòu)件受荷歷程的不同、構(gòu)件實(shí)際的邊界條件與設(shè)想的差別等因素，使剛度存在不確定性，造成的剛度中心偏移；第三是結(jié)構(gòu)剛度退化的不均勻，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段時，本來是規(guī)則對稱的結(jié)構(gòu)，也會出現(xiàn)隨變形形態(tài)而變化的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，例如，結(jié)構(gòu)某一角柱進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，它的剛度較彈性階段時小，而其他的角柱可能仍處于彈性階段，這時，剛度分布在結(jié)構(gòu)平面內(nèi)發(fā)生了變化，導(dǎo)致剛度不對稱，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。

　　二、不規(guī)則框剪結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析

　　2.1Pushover方法的功能

　　Pushover分析方法本質(zhì)上是靜力彈塑性方法。通過對結(jié)構(gòu)施加沿高度呈一定分布的水平單調(diào)遞增荷載，將結(jié)構(gòu)推至某一預(yù)定的目標(biāo)位移或者使結(jié)構(gòu)成為機(jī)構(gòu)后，則中止加大水平荷載，并對結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評價，以判斷結(jié)構(gòu)能否達(dá)到預(yù)設(shè)的性能水平。如果滿足不了要求，則應(yīng)該采取相應(yīng)的加固措施。

　　Pushover分析方法主要用于檢驗新設(shè)計的結(jié)構(gòu)和評估在用結(jié)構(gòu)的性能是否滿足不同強(qiáng)度地震作用下的設(shè)計性能目標(biāo)。該方法的主要功能包括：

　�。�1）判斷結(jié)構(gòu)抗震承載能力�；�于性能的抗震設(shè)計需要對比兩個基本量，即抗震能力與抗震需求。Pushover分析可以得到結(jié)構(gòu)的基底剪力與頂點(diǎn)位移關(guān)系曲線、層剪力與層間位移關(guān)系曲線，即結(jié)構(gòu)的能力曲線。結(jié)構(gòu)的能力曲線從總體上反映了結(jié)構(gòu)抵抗水平力的能力�；�于性能的抗震設(shè)計中，結(jié)構(gòu)首先必須滿足承載力的要求。若結(jié)構(gòu)具有的承載力大于地震作用下的基底剪力或?qū)蛹袅�，則承載力滿足要求，若略小于則需要修改設(shè)計。若小很多，應(yīng)該重新設(shè)計結(jié)構(gòu)，對于在用建筑則需要進(jìn)行抗震加固。

　　（2）分析結(jié)構(gòu)的行為。Pushover分析可以大致預(yù)測結(jié)構(gòu)在水平力作用下的行為，從而獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)件彈性－開裂－屈服－彈塑性－承載力下降的全過程，另外，還可得到結(jié)構(gòu)桿端出現(xiàn)塑性鉸的先后順序、塑性鉸的分布和結(jié)構(gòu)的薄弱部位等。

　　（3）建立結(jié)構(gòu)整體位移與構(gòu)件局部變形的關(guān)系。結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移或?qū)娱g位移，是由構(gòu)件的變形產(chǎn)生的。Pushover分析可以得到結(jié)構(gòu)達(dá)到目標(biāo)位移時桿端塑性轉(zhuǎn)角的大小，甚至桿端截面混凝土極限壓應(yīng)變的大小，從而可以確定對桿端塑性鉸區(qū)的約束要求，以保證桿件有足夠的變形能力。

　�。�4）用于彈塑性時程分析。Pushover分析得到的層剪力－層間位移曲線即為該結(jié)構(gòu)剪切剛度層模型的層間滯回曲線的骨架曲線，將其折線化并選取合適的恢復(fù)力模型即可進(jìn)行層模型的彈塑性時程反應(yīng)分析。

　　2.2Pushover方法的基本理論

　　1、基本假定

　　Pushover分析方法實(shí)質(zhì)上是靜力彈塑性方法。該方法沒有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)，它主要建立在多自由度體系（MDOF）的結(jié)構(gòu)反應(yīng)可以與對應(yīng)的一個等效單自由度體系（SDOF）的反應(yīng)相關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，其基本假定為：

　�。�1）結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)由第一振型控制；

　�。�2）在每一荷載步內(nèi)，結(jié)構(gòu)沿高度的變形由形狀向量{φ}表示，在這一步的反應(yīng)中，不管結(jié)構(gòu)的變形大小，形狀向量始終保持不變。

　　上述兩個假定都不完全正確，但是已有的研究表明，對于某一周期不是很長（小于1秒）且由第一振型控制的結(jié)構(gòu)，采用Pushover方法可以很好的預(yù)測結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

　　2、Pushover分析方法的實(shí)施

　�。�1）建立結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的分析模型，其中包括所有對結(jié)構(gòu)重量、強(qiáng)度和剛度影響小可忽略的構(gòu)件以及所有對滿足抗震設(shè)防水準(zhǔn)影響顯著的構(gòu)件。在對結(jié)構(gòu)施加水平荷載之前，在結(jié)構(gòu)上施加豎向荷載。

　　（2）選擇側(cè)向荷載分布形式。在結(jié)構(gòu)高度方向的荷載分布形式，應(yīng)能近似地包絡(luò)住地震過程的慣性力沿結(jié)構(gòu)高度的實(shí)際分布。當(dāng)進(jìn)行三維分析時，荷載在水平方向分布應(yīng)能模擬每一樓層隔板上的慣性力分布，確定之后將其施加于各個樓層的質(zhì)心處。水平荷載值的選取應(yīng)使結(jié)構(gòu)在該水平荷載增量作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和豎向荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及前面所有的n步的累計內(nèi)力疊加后，使一個或者一批構(gòu)件進(jìn)入屈服狀態(tài)。

　�。�3）根據(jù)所選的加載模式，逐步增加側(cè)向荷載。側(cè)向荷載增加到最薄弱的構(gòu)件達(dá)到剛度發(fā)生明顯的變化，一般達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服荷載或構(gòu)件達(dá)到屈服（或抗剪）承載力。修改分析模型中的屈服構(gòu)件剛度特性，以反映構(gòu)件屈服后的特性。繼續(xù)加大側(cè)向荷載（荷載控制）或位移（位移控制），此時可以采用同一個側(cè)向荷載分布形式，或采用規(guī)定容許的新的分布形式。構(gòu)件性能的修正采用以下方式：

　　a）彎曲構(gòu)件達(dá)到屈服承載力的位置設(shè)置鉸；

　　b）取消某一樓層達(dá)到抗剪強(qiáng)度的剪力墻剛度；

　　c）支撐構(gòu)件達(dá)到壓屈后，承載力迅速降低時，取消這個支撐；

　　d）若構(gòu)件在剛度減小后仍能繼續(xù)承擔(dān)荷載時，修正其剛度。

　�。�4）重復(fù)步驟（3），直到更多的構(gòu)件達(dá)到屈服（或抗剪）承載力。對屈服結(jié)構(gòu)加載全過程的荷載形式仍可保持原樣，也可以采用另外的可選擇的分布形式。對于每一荷載步，計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、彈塑性變形。

　�。�5）記錄所有加載步的構(gòu)件內(nèi)力和變形，以期獲得各個階段所有構(gòu)件的總內(nèi)力和變形（彈性和塑性）。

　�。�6）繼續(xù)加載到結(jié)構(gòu)達(dá)到不可接受性能狀態(tài)或頂點(diǎn)位移了超過設(shè)計地震下控制點(diǎn)處的最大位移。

　�。�7）畫出控制點(diǎn)的位移與底部剪力在不同加載階段關(guān)系曲線，作為代表結(jié)構(gòu)的非線性反應(yīng)曲線。

　　通過以上步驟，可以得到結(jié)構(gòu)的力－位移曲線，作為性能評估的基礎(chǔ)。再用等能量的原則進(jìn)一步簡化為雙線性骨架曲線，通過位移影響系數(shù)法或能力譜法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能的評估。

　　三、算例

　　3.1分析模型

　　以偏心框剪結(jié)構(gòu)作為研究對象，進(jìn)行三維靜力彈塑性分析，并與動力彈塑性分析數(shù)據(jù)對比。結(jié)構(gòu)模型的平面布置如圖1所示。結(jié)構(gòu)總共8層，其中第一層層高3.6米，其余各層層高為3米。結(jié)構(gòu)質(zhì)量均勻分布，因此質(zhì)心與形心重合。結(jié)構(gòu)模型在x方向上剛度對稱，y方向上存在剛度偏心�！�

　　3.2層間位移與層間扭轉(zhuǎn)角

　　首先用彈塑性時程分析方法計算結(jié)構(gòu)地震作用下可能達(dá)到的最大位移，以此作為靜力彈塑性分析的目標(biāo)位移。地震波選用1940年ImperialValley地震時Elcentro波南北分量（峰值加速度為341.7cm/s2）。地震波從y方向輸入，結(jié)構(gòu)的阻尼采用瑞雷阻尼，阻尼比為0.05。我國現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，7度罕遇地震時所用地震加速度時程的最大值為220cm/s2，因此在進(jìn)行彈塑性時程計算時，地震波的峰值加速度調(diào)整為220cm/s2。

　　由彈塑性時程分析方法得到結(jié)構(gòu)在地震作用下達(dá)到的最大位移為76.5mm，將此作為目標(biāo)位移。Pushover分析可以得到的質(zhì)心、剛性邊和柔性邊的位移、層間位移，以及質(zhì)心處的扭轉(zhuǎn)角，它們是反映偏心框剪結(jié)構(gòu)彈塑性扭轉(zhuǎn)的重要指標(biāo)。分別將它們的結(jié)果與用彈塑性時程分析方法得到的結(jié)果進(jìn)行對比，并評估Pushover方法準(zhǔn)確的準(zhǔn)確性。Pushover方法及彈塑性時程分析方法計算的層間位移結(jié)果表明：

　�。�1）在質(zhì)心處，自適應(yīng)分布得到的層間位移小于時程分析的結(jié)果，同時也小于其他兩種加載方式的結(jié)果；（2）倒三角分布得到的層間位移大于時程分析的結(jié)果，隨著樓層數(shù)的增大，差別越小；（3）在下部樓層，均勻分布得到層間位移大于時程分析的結(jié)果，而在上部樓層，其結(jié)果與時程分析吻合較好。

　　從剛性邊位移與層間位移可以看出：（1）均勻分布得到的剛性邊層間位移與時程分析結(jié)果相差較小；（2）在上部樓層，自適應(yīng)分布得到的層間位移小于時程分析的結(jié)果，而倒三角分布則大于時程分析的結(jié)果。

　　從柔性邊可以看出，均勻分布與自適應(yīng)分布得到的層間位移結(jié)果相差較小，在中上部樓層小于倒三角分布形式和時程分析的結(jié)果，而倒三角分布得到結(jié)果與時程分析的結(jié)果接近。

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