论动力弹塑性分析在建筑结构设计中应用的若干问题

论动力弹塑性分析在建筑结构设计中应用的若干问题

许广铃

深圳市联投置地有限公司广东深圳518000

摘要：近些年来，我国经济得到了较为快速的发展，越来越多的超限高层建筑被应用到人们的生活中。基于建筑结构设计的“三水准、两阶段”原则，在大震作用下需要对建筑结构的抗震可靠性做出评估。动力弹塑性分析（时程分析法）能详细记录建筑结构在大震作用下的地震反应，是超限结构抗震分析的重要方法，本文通过对某物业1#楼大震弹塑性受力分析，证实该结构体系可实现大震不倒的总体设防目标；并给出了转换梁受力的薄弱部位及相应的加强措施，供同行参考。

关键词：框支框架；转换层；抗震性能；弹塑性分析；动力响应

一、工程概述

该工程由是由七栋11层的住宅组合的小区，住宅层高2.9米，建设用地面积为64580.59m2，总建筑面积为152405.28m2。是典型的下部地铁车辆基地和上部住宅合为一体的综合建筑群。该工程首层为停车库及设备用房，9米平台为停车库，15米平台为住宅首层，结构15米平台设缝将上部住宅分为多塔或单塔。

二、工程特点及研究内容

本工程主要特点：

1．竖向体型收进

地铁上盖通过结构分缝划分了多个结构单位，导致一部分地铁上盖结构单元上放置了一个住宅结构单元，另一部分放置了2个住宅结构单元；由于地铁上盖结构单元的平面尺寸大于住宅单元的平面尺寸，形成了大底盘单塔或多塔结构。1#楼地铁上盖结构单元平面尺寸为60m*99m，住宅仅为48m*11.7m，竖向体型收进较大。

2．扭转不规则

通过小震作用下分析，结构在水平地震力作用下并考虑偶然偏心时的位移比大于1.2，为扭转不规则结构。

3．竖向不规则

与传统的框支剪力墙结构不同，本工程上部住宅采用钢筋混凝土框架结构，在15米平台上对住宅部分的框架柱进行了转换，形成了竖向不连续的框支框架转换结构。

本工程研究的主要内容：

目前规范条文尚未有对框支框架结构的相关要求，因此研究框支框架结构在大震作用下的受力性能将是本文的主要内容；主要体现在：

1，大震作用下结构整体的非线性动力响应；

2，结构构件损伤与塑性的发展过程；

3，框支梁在大震作用下的受力性能。

三、大震作用下动力弹塑性分析

1．分析考虑的非线性特性值

计算分析采用基于三维的建筑结构分析和设计软件MidasBuilding，该软件被工业界和学术研究界广泛应用，是非线性分析领域的顶级软件。

在本工程的弹塑性分析中，考虑以下非线性因素：

1）几何非线性：结构的平衡方程建立在结构变形后的状态上，即考虑初始荷载工况、重力二阶效应对结构位移产生的影响；

2）材料非线性：梁柱滞回模型采用武田三折线，可模拟构件的弹塑性发生、发展及破坏的全过程。

2．地震波输入

采用1条人工波和2条天然波进行结构的时程分析。三条地震波均按规范要求将峰值加速度调整为220cm/s2。三条波的加速度时程曲线见下图；本次计算考虑三向地震波输入，X、Y、Z按照1：1：0.65比例输入三向地震波。

上图给出转换层的框架铰状态分布图。可以看出67.8%的框架铰处于第一屈服状态，28.1%的框架铰处在第二屈服状态，未有框架铰进入第三屈服状态，框支梁未进入极限承载力屈服状态，可保证上部框架结构不倒塌。

上图给出转换层的转换梁受扭状态分布图。可以看出大跨度转换次梁交主梁处扭矩较大；尤其是主次梁交接处距柱端距离较小时，产生的扭矩更大；主次梁交接处以及梁柱交接处的梁端部位是抗扭的薄弱部位。

四、结束语

通过对1#楼大震水准下、三组地震记录、三向输入并轮换主次方向，共计6个计算分析工况的动力弹塑性分析，主要结论小结如下：

1），计算结果表明，1#楼在大震水准的地震作用下，整体结构可实现大震不倒的总体设防目标。大部分框架铰处于第一、第二屈服状态，未有框架铰进入承载能力屈服状态，结构具有较强的耗能能力。

2），转换梁铰大部分第一、第二屈服状态，框支梁均未进入极限承载力屈服状态，可保证上部框架结构不倒塌。

3），转换梁受力状态分析显示，罕遇地震作用下，转换梁的跨中部位是受弯的薄弱部位，转换主次梁交接处以及转换梁柱交接处的梁端部位是抗扭、抗剪的薄弱部位；无论从受力还是构造上都须加强这些薄弱部位。具体措施如下：

（a），转换梁高度不宜小于计算跨度的1/6，以提高转换梁的抗弯能力。

（b），转换梁箍筋应全长加密，加密区箍筋直径不应小于10、间距不应大于100mm；且主次梁交接处附加箍筋不少于5组，附加箍筋间距50mm。

（c），转换梁应沿腹板高度配置抗扭钢筋，其直径不宜小于12、间距不宜大于200，截面面积不应小于腹板截面面积的0.15%。

（d），托柱转换梁在转换层应在托柱位置设置正交方向的框架梁，以平衡托柱的弯矩。

（e），转换层上部的框架柱宜直接落在转换层的主要转换构件上，避免多次转换造成主次梁交接处的剪力、扭矩过大。

五、展望

框支框架转换结构是一种全新的、不同于以往框支剪力墙转换的结构形式。通过对1#楼罕遇地震作用下的弹塑性分析，证明了该结构形式可实现大震作用下的结构总体设防目标，并给出了转换梁受力的薄弱部位及加强措施，为该结构的设计提供了参考依据。

随着城市基础设施建设的飞速发展，框支框架转换结构将越来越多的应用到实际工程中，围绕这个结构形式的课题研究亟需展开，主要体现在：

1），与框支剪力墙结构相比，上部框架的刚度小，转换层上下结构的侧向刚度比按框支剪力墙结构取值是否合适？不合适的话应取多少？

2），框支柱轴压比限值及纵筋配筋率、体积配箍率的要求是否可以降低？降低多少？

3），转换梁主次梁交接处的应力分析以及构造措施等。

4），转换层地震剪力的增大系数及转换构件地震作用下内力增大系数的确定。

参考文献：

[1]高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010

[2]建筑抗震设计规范GB50011-2010

[3]混凝土结构设计规范GB50010-2010

[4]王森.魏琏.孙仁范等.动力弹塑性分析在建筑抗震设计中应用的若干问题.建筑结构.2014（06）.

[5]王智军.王斌.李银文.结构动力弹塑性分析地震波的选取原则.[J]兰州理工大学学报.2013（08）.