基于三維推覆分析的高層建筑框架剪力墻結構抗震性能評價

基于三維推覆分析的高層建筑框架剪力墻結構抗震性能評價

1推覆分析的基本原理在現(xiàn)階段，非線性涂層分析是一種實用的基于性能的抗疲勞動設計分析之一。2001年，中國的建筑計量也包括了這一方法的規(guī)范規(guī)定。通過推覆分析,可以了解整個結構中每個構件的內力和承載力的關系以及各構件承載力之間的相互關系,以便檢查是否符合強柱弱梁(或強剪弱彎),并找出結構的薄弱樓層。對結構進行“推覆”分析計算的過程是:(1)計算結構豎向荷載。豎向荷載由房屋自重和樓面使用荷載組成。它是一開始就作用在結構上的,并且在整個推覆過程中,豎向荷載的大小始終保持不變。(2)施加水平荷載。按小震反應譜計算求得結構基底剪力,各層水平力沿結構高度的分布可采用倒三角形或振型分解反應譜法所得到的分布規(guī)律,這樣可以求得小震下各層水平荷載。然后分級加載,一直推覆到結構破壞。(3)判定結構的性能水準。包括結構整體性能和局部性能。根據(jù)高層建筑的特點,本文編制的三維推覆分析程序(TBPOA)設置了多種單元類型:1)梁柱單元。2)單片墻單元(在梁柱單元的基礎上增加雙線型剪切彈簧)。3)三垂直桿單元。4)筒體墻單元(在單片墻或三垂直桿單元的基礎上考慮墻墻交界處位移連續(xù)條件)。程序采用了修正的Newton-Raphson方法和柱面弧長法,考慮了材料非線性和幾何非線性,較為精確地實現(xiàn)了高層結構P-Δ效應的計算。程序考慮了樓蓋彈性變形的影響,樓板采用帶轉角自由度的三節(jié)點三角形單元。推覆分析所需的側向荷載沿豎向的分布模式直接影響到結構性能水準。在大多數(shù)情況下可以采用倒三角形分布,但對于復雜體型高層結構,采用倒三角形分布和均勻分布則誤差較大。為此本文采用了振型分解反應譜法確定水平荷載沿豎向的分布模式、倒三角形分布和均勻分布三種荷載分布模式,針對不同荷載分布模式對結構性能的影響進行了研究。本文用來進行推覆分析的某工程位于7度設防區(qū),總建筑面積14845平方米,地上12層,地下2層,屋頂檐口高度49.5m。結構體系為框架-剪力墻結構,平面呈三角形。在平面各角部利用樓、電梯間設置一定數(shù)量的剪力墻作為主要抗水平構件。由于建筑要求,本工程在2、3層樓板局部缺失較多,屬于樓板局部不連續(xù)。結合新的建筑抗震設計規(guī)范的要求,本文對該大樓進行了推覆分析研究,找出罕遇地震下該結構的薄弱樓層和彈塑性變形,并對該結構進行局部性能和整體性能的評價。典型樓層平面布置詳見圖1和圖2。構件配筋根據(jù)建筑設計研究院提供的配筋簡圖而得到,在推覆分析計算中,柱采用了兩種不同的配筋率即0.7%和1.0%,其中0.7%的配筋率為抗震規(guī)范規(guī)定的三級抗震等級框架柱的最小配筋率。梁、柱縱向鋼筋為Ⅱ級鋼,混凝土強度等級:1～5層C40,6～12層C35。計算時采用材料強度的設計值,此外還考慮了幾何非線性。7度地震,上海Ⅳ類場地土,場地土特征周期為0.9s。由于該工程地下室的抗側剛度遠遠大于上部結構抗側剛度,且地下室頂板厚度較大,在計算時結構的固定端取在0.00處。該算例總結點數(shù)為811個,單元總數(shù)為1388個,失衡力收斂精度為1%。計算機時為20min(PⅢ1G,內存256M)。2tbpoa分布模式各層豎向荷載見表2,它是一次性加載于結構上的,且在推覆過程中始終保持不變。該結構第1彈性周期分別為1.287s(TBPOA)和1.3017s(SATWE)。TBPOA計算的周期偏小主要是因為在進行桿件剛度計算時TBPOA考慮了鋼筋的貢獻,而SATWE未計及鋼筋的影響。水平推覆荷載沿結構豎向的分布模式考慮了3種情況:按振型分解反應譜計算得到的地震作用沿豎向的分布;倒三角形分布;均勻分布。推覆荷載分布模式見圖3,各層水平推覆荷載見表3。為了描述問題的方便,本文將不同柱的配筋率和不同的水平推覆荷載沿豎向的分布型式組合成6種工況。表1列出了6種工況所對應的結構計算工況。3重復分析的結果3.1結構非線性特征結構頂點側移、各層側移、層間側移示于圖4～圖6。從圖3中可以看到,當水平推覆荷載沿豎向的分布模式為倒三角形和根據(jù)振型分解反應譜法計算得到這兩種情況下,該結構頂點側移曲線基本重合,在均勻分布的水平推覆荷載作用下,結構側移普遍偏小。在圖5和圖6中,未列出工況2和工況5,這主要是因為工況1、2和工況4、5的結果基本相同。從圖5中可以看到,在多遇地震作用下,考慮了幾何非線性后的結構位移曲線和彈性位移曲線較為接近。隨著荷載比例的不斷增大,非線性位移曲線越來越偏離彈性位移曲線,這種現(xiàn)象在房屋的上部更甚,這說明在中等烈度地震以及大震作用下,結構非線性特征越來越明顯。從圖6中可以看到,在罕遇地震下,該結構沿豎向產(chǎn)生了一定的薄弱樓層,主要出現(xiàn)在第2～5層,最大層間位移角出現(xiàn)在第3層。3.2拉覆荷載的剛度退化結構剛度比曲線和周期變化曲線示于圖7、圖8。圖中僅列出了工況1和工況4的剛度和周期的變化曲線。在多遇地震作用下,結構剛度的退化并不太明顯,隨著推覆荷載的不斷增大,剛度退化明顯加劇。隨著剛度的退化,結構的周期也不斷延長。3.3墻下肢屈服情況在多遇地震作用下,所有剪力墻的連系梁端部均出現(xiàn)了屈服,剪力墻肢未出現(xiàn)屈服,柱及梁的屈服情況見圖9。在罕遇地震作用下,所有剪力墻的連系梁端部不僅屈服,而且進入了強化階段,大部分梁也已屈服,5層以下的墻肢基本屈服,柱的屈服情況見圖10。3.4結構反應譜法推覆分析的一個主要目的就是評定結構整體的抗震性能,具體地說就是評定結構能夠承受多大烈度的地震。根據(jù)推覆分析的結果,可以得到結構在不同水平荷載推覆下的結構反應,從而求得不同自振周期下的基底剪力(總的水平荷載),得到結構的實際反應曲線(基底剪力與結構自重之比對結構自振周期的關系曲線),該曲線如圖11所示。圖中反應譜曲線是根據(jù)上海市標準《建筑抗震設計規(guī)程》(DBJ08-9-92)繪制的。工況1和工況2、工況4和工況5的結構設計反應曲線基本重合,因此圖中未畫出工況2和工況5的結構實際反應曲線。從圖中可以看出,結構的實際反應曲線除工況1外,其余5種工況均能在6s內穿過大震的地震影響系數(shù)曲線,這表明,根據(jù)規(guī)范規(guī)定的柱最小配筋率(0.7%)進行柱配筋,并不能滿足罕遇地震下的抗震要求,而當柱配筋率提高到1%時,結構表現(xiàn)出了較好的延性。不同的水平推覆荷載的分布模式也影響著結構的性能。在本例中,根據(jù)振型分解反應譜法計算的荷載分布與倒三角形分布較為接近,但與均勻分布的荷載模式差異較大。在罕遇地震作用下,工況3、工況4、工況6所對應的推覆荷載因子(P/Ps)分別為3.8、4.3和4.55。在此推覆荷載作用下,三種工況所對應的最大層間側移分別為31mm、38mm和33mm;層間側移角分別為1/126、1/103和1/115。為了安全起見,本文采用根據(jù)振型分解反應譜法計算的推覆荷載分布模式進行結構性能評價。4在現(xiàn)場的地震反應中,我國按照動力條第1/2.本工程雖然層數(shù)不多,結構總高度也不大,但由于它平面體型復雜,局部樓板缺失較多,屬于平面不規(guī)則的建筑。通過對該結構進行推覆分析,可以得到以下幾點結論:(1)在小震(多遇地震)作用下,結構的強度能滿足規(guī)范要求。小震下最大層間側移在第1種和第4工況下分別為3.452mm、3.0287mm,層間側移角分別為1/1130、1/1287,它們均滿足了規(guī)范1/800的要求。(2)在罕遇地震作用下,該結構存在一定的薄弱樓層,主要出現(xiàn)在第2～5層。最大層間側移角出現(xiàn)在第3層。工況4的最大層間側移角為1/103,能夠滿足抗震規(guī)范1/100的要求。(3)從推覆分析性能評價的觀點,推覆分析所得到的該結構實際地震反應曲線(工況1)未能穿越罕遇地震反應譜曲線,因此該結構在規(guī)范規(guī)定