基于三维推覆分析的高层建筑框架剪力墙结构抗震性能评价

基于三维推覆分析的高层建筑框架剪力墙结构抗震性能评价

1推覆分析的基本原理在现阶段，非线性涂层分析是一种实用的基于性能的抗疲劳动设计分析之一。2001年，中国的建筑计量也包括了这一方法的规范规定。通过推覆分析,可以了解整个结构中每个构件的内力和承载力的关系以及各构件承载力之间的相互关系,以便检查是否符合强柱弱梁(或强剪弱弯),并找出结构的薄弱楼层。对结构进行“推覆”分析计算的过程是:(1)计算结构竖向荷载。竖向荷载由房屋自重和楼面使用荷载组成。它是一开始就作用在结构上的,并且在整个推覆过程中,竖向荷载的大小始终保持不变。(2)施加水平荷载。按小震反应谱计算求得结构基底剪力,各层水平力沿结构高度的分布可采用倒三角形或振型分解反应谱法所得到的分布规律,这样可以求得小震下各层水平荷载。然后分级加载,一直推覆到结构破坏。(3)判定结构的性能水准。包括结构整体性能和局部性能。根据高层建筑的特点,本文编制的三维推覆分析程序(TBPOA)设置了多种单元类型:1)梁柱单元。2)单片墙单元(在梁柱单元的基础上增加双线型剪切弹簧)。3)三垂直杆单元。4)筒体墙单元(在单片墙或三垂直杆单元的基础上考虑墙墙交界处位移连续条件)。程序采用了修正的Newton-Raphson方法和柱面弧长法,考虑了材料非线性和几何非线性,较为精确地实现了高层结构P-Δ效应的计算。程序考虑了楼盖弹性变形的影响,楼板采用带转角自由度的三节点三角形单元。推覆分析所需的侧向荷载沿竖向的分布模式直接影响到结构性能水准。在大多数情况下可以采用倒三角形分布,但对于复杂体型高层结构,采用倒三角形分布和均匀分布则误差较大。为此本文采用了振型分解反应谱法确定水平荷载沿竖向的分布模式、倒三角形分布和均匀分布三种荷载分布模式,针对不同荷载分布模式对结构性能的影响进行了研究。本文用来进行推覆分析的某工程位于7度设防区,总建筑面积14845平方米,地上12层,地下2层,屋顶檐口高度49.5m。结构体系为框架-剪力墙结构,平面呈三角形。在平面各角部利用楼、电梯间设置一定数量的剪力墙作为主要抗水平构件。由于建筑要求,本工程在2、3层楼板局部缺失较多,属于楼板局部不连续。结合新的建筑抗震设计规范的要求,本文对该大楼进行了推覆分析研究,找出罕遇地震下该结构的薄弱楼层和弹塑性变形,并对该结构进行局部性能和整体性能的评价。典型楼层平面布置详见图1和图2。构件配筋根据建筑设计研究院提供的配筋简图而得到,在推覆分析计算中,柱采用了两种不同的配筋率即0.7%和1.0%,其中0.7%的配筋率为抗震规范规定的三级抗震等级框架柱的最小配筋率。梁、柱纵向钢筋为Ⅱ级钢,混凝土强度等级:1～5层C40,6～12层C35。计算时采用材料强度的设计值,此外还考虑了几何非线性。7度地震,上海Ⅳ类场地土,场地土特征周期为0.9s。由于该工程地下室的抗侧刚度远远大于上部结构抗侧刚度,且地下室顶板厚度较大,在计算时结构的固定端取在0.00处。该算例总结点数为811个,单元总数为1388个,失衡力收敛精度为1%。计算机时为20min(PⅢ1G,内存256M)。2tbpoa分布模式各层竖向荷载见表2,它是一次性加载于结构上的,且在推覆过程中始终保持不变。该结构第1弹性周期分别为1.287s(TBPOA)和1.3017s(SATWE)。TBPOA计算的周期偏小主要是因为在进行杆件刚度计算时TBPOA考虑了钢筋的贡献,而SATWE未计及钢筋的影响。水平推覆荷载沿结构竖向的分布模式考虑了3种情况:按振型分解反应谱计算得到的地震作用沿竖向的分布;倒三角形分布;均匀分布。推覆荷载分布模式见图3,各层水平推覆荷载见表3。为了描述问题的方便,本文将不同柱的配筋率和不同的水平推覆荷载沿竖向的分布型式组合成6种工况。表1列出了6种工况所对应的结构计算工况。3重复分析的结果3.1结构非线性特征结构顶点侧移、各层侧移、层间侧移示于图4～图6。从图3中可以看到,当水平推覆荷载沿竖向的分布模式为倒三角形和根据振型分解反应谱法计算得到这两种情况下,该结构顶点侧移曲线基本重合,在均匀分布的水平推覆荷载作用下,结构侧移普遍偏小。在图5和图6中,未列出工况2和工况5,这主要是因为工况1、2和工况4、5的结果基本相同。从图5中可以看到,在多遇地震作用下,考虑了几何非线性后的结构位移曲线和弹性位移曲线较为接近。随着荷载比例的不断增大,非线性位移曲线越来越偏离弹性位移曲线,这种现象在房屋的上部更甚,这说明在中等烈度地震以及大震作用下,结构非线性特征越来越明显。从图6中可以看到,在罕遇地震下,该结构沿竖向产生了一定的薄弱楼层,主要出现在第2～5层,最大层间位移角出现在第3层。3.2拉覆荷载的刚度退化结构刚度比曲线和周期变化曲线示于图7、图8。图中仅列出了工况1和工况4的刚度和周期的变化曲线。在多遇地震作用下,结构刚度的退化并不太明显,随着推覆荷载的不断增大,刚度退化明显加剧。随着刚度的退化,结构的周期也不断延长。3.3墙下肢屈服情况在多遇地震作用下,所有剪力墙的连系梁端部均出现了屈服,剪力墙肢未出现屈服,柱及梁的屈服情况见图9。在罕遇地震作用下,所有剪力墙的连系梁端部不仅屈服,而且进入了强化阶段,大部分梁也已屈服,5层以下的墙肢基本屈服,柱的屈服情况见图10。3.4结构反应谱法推覆分析的一个主要目的就是评定结构整体的抗震性能,具体地说就是评定结构能够承受多大烈度的地震。根据推覆分析的结果,可以得到结构在不同水平荷载推覆下的结构反应,从而求得不同自振周期下的基底剪力(总的水平荷载),得到结构的实际反应曲线(基底剪力与结构自重之比对结构自振周期的关系曲线),该曲线如图11所示。图中反应谱曲线是根据上海市标准《建筑抗震设计规程》(DBJ08-9-92)绘制的。工况1和工况2、工况4和工况5的结构设计反应曲线基本重合,因此图中未画出工况2和工况5的结构实际反应曲线。从图中可以看出,结构的实际反应曲线除工况1外,其余5种工况均能在6s内穿过大震的地震影响系数曲线,这表明,根据规范规定的柱最小配筋率(0.7%)进行柱配筋,并不能满足罕遇地震下的抗震要求,而当柱配筋率提高到1%时,结构表现出了较好的延性。不同的水平推覆荷载的分布模式也影响着结构的性能。在本例中,根据振型分解反应谱法计算的荷载分布与倒三角形分布较为接近,但与均匀分布的荷载模式差异较大。在罕遇地震作用下,工况3、工况4、工况6所对应的推覆荷载因子(P/Ps)分别为3.8、4.3和4.55。在此推覆荷载作用下,三种工况所对应的最大层间侧移分别为31mm、38mm和33mm;层间侧移角分别为1/126、1/103和1/115。为了安全起见,本文采用根据振型分解反应谱法计算的推覆荷载分布模式进行结构性能评价。4在现场的地震反应中,我国按照动力条第1/2.本工程虽然层数不多,结构总高度也不大,但由于它平面体型复杂,局部楼板缺失较多,属于平面不规则的建筑。通过对该结构进行推覆分析,可以得到以下几点结论:(1)在小震(多遇地震)作用下,结构的强度能满足规范要求。小震下最大层间侧移在第1种和第4工况下分别为3.452mm、3.0287mm,层间侧移角分别为1/1130、1/1287,它们均满足了规范1/800的要求。(2)在罕遇地震作用下,该结构存在一定的薄弱楼层,主要出现在第2～5层。最大层间侧移角出现在第3层。工况4的最大层间侧移角为1/103,能够满足抗震规范1/100的要求。(3)从推覆分析性能评价的观点,推覆分析所得到的该结构实际地震反应曲线(工况1)未能穿越罕遇地震反应谱曲线,因此该结构在规范规定