基于性能的结构抗震设计方法在结构中的应用

基于性能的结构抗震设计方法在结构中的应用

静力非线性分析方法应用于结构设计规范设计目前，基于性能的抗疲劳工程已在世界各国引起广泛关注，主要特点是根据确定的性能目标，充分考虑结构负荷、组件反应和结构屈曲机制的影响，将抗疲劳设计从单一负荷能力的目标设计转变为多重性能（负荷能力、屈服机制、变形能力等）的目标设计。因此，基于性能的抗评价设计要求，对结构的抗评价性能水平进行了深入研究和分析。静力非线性分析方法,又称Pushover分析,是目前基于性能的结构抗震设计中采用的主要分析方法之一,已为国内外多项设计规范推荐采用,如我国的《建筑抗震设计规范》、美国ATC-40、FEMA-356及日本《日本建筑标准法》等。其基本做法是首先在结构上施加竖向静载和活荷载并保持不变,再沿结构高度施加某种分布形式(如均匀荷载、倒三角形荷载等)的侧向荷载或位移作用以模拟地震作用,继而逐级增大侧向荷载水平并计算每级荷载下结构的非线性反应,直至结构达到预定状态(位移限值或目标位移等),最后评估结构整体的抗震性能。严格意义上讲,静力非线性分析方法仅是一种采用静力方法模拟,并得到结构在动荷载(地震)作用下非线性响应的近似方法,然而其原理相对简单,可操作性强,计算结果可读性强、易于判断,且能与设计反应谱对应,同时经过多年的理论研究及工程实践证明,在合理确定参数的前提下,静力非线性分析方法能够正确描述结构的非线性性质及变形形态,准确暴露结构的薄弱部位,并对结构整体的抗震性能给出合理、正确的评价。本文针对某实际超限、不规则结构,采用性能化设计思想,根据构件类型及位置不同分别提出其抗震性能目标,并采用静力非线性分析方法,对其在不同水平地震作用下的非线性响应过程进行数值模拟,揭示其薄弱部位,验证确定的性能目标,评价整体结构的抗震性能,进而为判定结构是否满足规范提出的抗震性能目标以及在罕遇地震作用下不倒塌的抗震设防水准提供依据。1楼群结构及结构体系北京当代MOMA工程地上总建筑面积约为160000m2,由9个最高有21层的塔楼及其他建筑组成,包括一个中心影院和地下停车库,塔楼主要用作住宅。9个塔楼在结构顶部通过连廊连接成环形系统,并且多个塔楼顶部带有较大的悬挑结构。在结构设计过程中,采用隔震支座将连廊两端均与塔楼隔开,避免了塔楼之间的相互影响,并采取了地下室顶板嵌固及裙房设置抗震缝等措施,使得各塔楼结构受力清晰、明确,并可作为独立的计算单元进行结构计算及设计。本文的内容仅包括楼群中的T1结构。T1结构(参见图1~图3)建筑总高度65.55m,总建筑面积约18800m2,地下2层,地上21层,其中1~8层为裙房,并在17~21层(距离地面56.4m)处设置一高5层、悬挑长度约10m的悬挑结构。本工程抗震设防烈度为8度,设计地震分组为第一组,抗震设防类别为丙类,场地类别为III类。结构主体为钢筋混凝土框架-核心筒结构,其中在结构塔楼位置设置了核心筒,核心筒尺寸为9.35m×7.9m,墙厚1~9层为400mm,10~15层为350mm,16~21层为300mm,承担主要的地震作用。结构框架柱沿结构周边布置,截面尺寸一般为400mm×800mm,标准柱距3.3m,框架梁高730mm;悬挑部分采用钢结构以减轻自重,并设置与主体连接的受拉型钢混凝土斜撑,提高悬挑结构的刚度和承载力;楼面系统采用250mm厚无柱帽现浇混凝土平板体系。此外为增大结构的抗扭刚度在结构立面上布置了部分斜撑;基础则采用CFG复合地基上筏板基础形式。2悬挑结构性能能力设计本工程结构较为复杂,按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2002)(以下简称《高规》)规定,属于超限、不规则结构。其结构具有如下复杂性:(1)结构竖向体型收进严重:结构从第9层开始收进,收进尺寸达36m,超过《高规》建议的最大收进尺寸(15.2m),根据文献的研究成果,当结构存在较大程度的体型收进,造成结构竖向刚度不连续时,收进处竖向构件的内力会明显增大,对结构抗震不利;(2)结构高位设置大悬挑结构:从16层顶板开始向主体外侧悬挑出10m、共5层悬挑结构,超过《高规》建议的最大悬挑尺寸(4m)。文献指出,悬挑结构对整体结构的水平地震作用、竖向地震作用以及结构局部构件均有显著影响,对结构抗震不利;(3)局部转换及转换形式特殊:结构在局部位置抽去1~3层框架柱,形成了梁托柱的局部转换,同时在转换梁上部还设置了钢管斜撑,使得结构荷载的传递路径不明确,构件受力状态复杂,该情况在结构其余部位亦存在;(4)结构平面布置无对称性,其不同方向的抗震性能不明确。综上可见,本结构存在多种不规则,其动力特性及地震响应必然复杂,尤其是罕遇地震作用下的抗震性能不明确。因此,在结构设计中采用基于性能的抗震设计理念,针对这样一个不规则结构设定了更高的性能水准:(1)主体结构的竖向构件(框架柱及剪力墙)采用中震不屈服的性能设计目标;(2)悬挑结构部分钢结构采用中震弹性的性能设计目标;(3)悬挑结构与连廊底部支撑柱,采用中震弹性的性能设计目标。为达到上述性能水准,在结构设计中采取了以下一系列措施:(1)为了尽量减小收进处结构刚度的突变及其造成的不利影响,根据多次弹塑性分析结果以及以往的研究成果,在结构体型收进部位两侧设置附加斜撑(图4)(2)按照中震出现拉力的原则,在悬挑位置主体结构外围的框架柱中设置型钢以保证结构有足够的安全度;(3)为了进一步暴露结构的薄弱部位,给出结构整体不同方向在不同水平地震作用下的抗震性能的定量解答,掌握结构的地震安全性,验证上述性能设计目标,进行静力弹塑性分析。3静力分析3.1剪力墙、构梁的模型由于结构形体和布置复杂,加之目前计算软件的限制,需进行如下必要的简化处理:(1)结构梁、柱及剪力墙均采用空间梁-柱单元模拟,其中多肢剪力墙均分解为单肢,彼此之间采用刚性连接以保证其变形协调;(2)计算模型中结构主体范围内(外框架柱范围内)采用刚性楼板假定,悬挑部分采用弹性楼板假定;(3)结构构件弹塑性性质采用集中塑性铰模型进行考虑。3.2非中国规范计算塑性铰的其它相关范畴随着计算软件及硬件的发展,目前市场上已有多种国外计算软件可以进行结构的静力弹塑性分析,但多存在对中国规范中相关内容考虑不全的缺点,比如按照非中国规范计算塑性铰性质以及不能自动生成中国规范需求谱等。若简单采用程序自动生成的塑性铰性质进行分析将可能导致计算结果产生偏差,以及性能评价困难等问题。为了解决上述问题,同时考虑结构质量-刚度偏心、悬挑及连廊结构竖向地震及体型收进等影响,在静力弹塑性分析过程采取的措施如下:(1)弯矩-转角曲线本文静力弹塑性分析中,所有构件的塑性铰性质均根据我国规范的相关规定采用自主开发的程序计算得到。其基本原理及做法为:将截面离散化为许多小面积的“纤维”,在给定轴力作用下逐步增加截面曲率,基于平截面假定计算每根“纤维”的应变,并根据不同材料单轴应力-应变关系确定其正应力,然后通过截面应力积分求得截面对应弯矩值,最后根据程序采用的塑性铰骨架曲线模型(参见图5,图中:A-B阶段为线弹性段,B-C阶段为塑性强化段,B为屈服点;a、b及c依次为屈服后塑性变形能力、总塑性变形能力及残余强度),采用等能量法则简化计算得到的弯矩-转角曲线,并参考ATC-40及FEMA-356相关规定确定各关键点输入参数。程序中无约束混凝土纤维(主要为钢筋混凝土及劲性混凝土构件的素混凝土保护层)的单轴应力-应变关系采用Mander模型,极限压应变取为0.0033;约束混凝土纤维采用Mander约束混凝土模型以考虑箍筋对其强度与变形能力的增强效应,极限压应变取为0.02;而对于钢材(型钢及钢筋),为保证结构构件在屈服后仍能保留一定量的承载力储备,本文采用理想弹塑性应力-应变关系忽略其硬化后强度的增长,其极限拉应变取为0.05。计算中所有材料的强度均参照我国规范取标准值。对于不同受力类型的构件,具体考虑如下:①梁:由于采用了刚性楼板假定,因此计算中梁(钢筋混凝土及型钢混凝土梁)仅考虑其受弯弹塑性性能,即M铰;②柱、墙及关键部位的刚接斜撑:这些构件是结构中的主要竖向构件及抗侧力体系,其屈服机制与轴力-弯矩的组合作用紧密相关。因此,本部分计算中将所有柱、剪力墙及刚接斜撑的塑性铰性质均设为轴力-弯矩(P-M-M)相关铰,以较为准确地模拟其变形行为;③铰接斜撑:本结构中除关键部位外,大部分斜撑与竖向及水平构件的主要连接形式是铰接,计算中仅考虑其拉/压状态的弹塑性性能,即P铰模拟其弹塑性性质,其截面抗拉承载力及考虑稳定影响的截面抗压承载力均根据《钢结构设计规范》(GB50017—2003)相关规定计算确定。(2)结构高阶振型迄今已有研究指出,静力弹塑性分析的结果与施加的侧向荷载模式相关,对于高阶振型影响较大的中高层结构,在不同侧向荷载分布方式作用下,结构的弹塑性静力分析结果相差较大,而且高阶振型的影响越大,这种差别也越大;悬挑结构上部质量大于下部结构,意味着结构高阶振型的影响比较严重。ATC-40及FEMA-356中推荐,对于复杂结构,当结构基本周期超过1.0s时,应采用由振型叠加反应谱法计算得到的、累计参与质量不小于90%的层剪力分布模式进行加载。考虑到本结构体系复杂,基本振型(基本周期1.34s)已不能全面反映整体结构在地震作用下的受力及变形特征,故采用弹性多遇地震的振型叠加反应谱法(振型有效参与质量大于95%)计算得到的地震作用作为侧向加载的模式,以反映地震作用下结构层惯性力的分布特征及位移状况。值得说明的是,由于本工程结构复杂,单方向地震作用下即会同时引起结构X、Y方向反应。因此在本文推覆分析中输入的单向地震作用力均为包含有X及Y两个方向分量的结构层间作用力并作用于各层质心位置,一定程度上反映了结构因质心与刚心不重合而在地震作用下产生的扭转效应。(3)悬挑结构的地震响应特性悬挑及连廊结构对主体结构有显著影响,竖向地震作用尤其重要。经过专门的竖向地震作用分析,悬挑部位产生的地震效应可按其重力荷载代表值的15%考虑。由于程序功能的便易,在计算分析模型中未对悬挑结构作任何简化处理,直接将悬挑结构及连廊重力荷载代表值所对应的荷载工况增大15%作为附加的竖向荷载,并在进行静力弹塑性分析过程中与侧向荷载等比例增大。可见,上述处理方法中不但推覆过程中悬挑结构构件内力的变化得到准确模拟,而且悬挑和连廊结构的竖向地震效应,以及该效应对主体结构的作用与P-Δ效应均得到考虑。此外,经过专门的非线性地震响应时程分析验证,由于采取了隔震措施,相邻建筑对本结构基本没有影响,因此本文的推覆分析中不进行考虑。(4)多向加载分析由于平面及竖向布置不对称,从而导致结构在不同方向的抗震性能不同。因此,本文针对+X/-X、+Y/-Y4个方向进行推覆分析。(5)需求谱的转换在进行结构抗震性能评价,即求解结构性能点过程中,需要引入地震需求谱。为保持评价结论与设计条件一致,本文采用的需求谱由我国抗震规范中规定的不同阻尼比弹性反应谱,采用下列公式转换得到:式中:Sa为谱加速度;Sd为谱位移;T及α为反应谱曲线中周期及其对应地震影响系数;g为重力加速度。3.3结构反应及分析过程本结构的静力弹塑性计算采用ETABS8.4.5Nonlinear完成。在进行静力弹塑性分析过程中,结构荷载的考虑方法及施加步骤如下:第一步在结构上施加重力荷载(1.0恒载+0.5活载),计算结构反应;第二步逐步增大侧向荷载水平,并以相同比例增大作用于悬挑及连廊支座处的附加竖向地震作用,计算结构反应,直至数值计算因构件破坏不收敛结束;第三步重复上述过程,完成各方向结构静力弹塑性分析。需要说明的是,本结构的弹塑性分析是一个多次反复的过程,要根据计算结果检查结构的抗震性能和破坏过程,多次调整结构布置与构件配筋,以保证结构具有合理的破坏模式及过程,并达到预先确立的抗震性能目标。4分析的结果4.1负x方向的能力曲线如图7所示为结构沿4个不同方向进行推覆分析得到的能力曲线(顶点位移-基底剪力曲线)。可以看出,正负X方向的能力曲线基本吻合,承载能力一致;而负Y方向能力曲线明显高于正Y方向,其原因主要是附加于悬挑结构的竖向地震效应对主体结构产生的附加倾覆力矩,而且该效应随着结构侧向变形的增大而增大,即结构侧向变形愈大,两条曲线偏离得愈多。4.2最大层间位移角参考文献中关于性能点的确定方法,迭代求解结构性能点的位置。图8为T1结构各方向能力谱曲线及其与8度罕遇地震需求谱曲线相交的性能点,其中+X向性能点处结构等效阻尼比约为10%,基底剪力为55810.7kN,顶点位移0.136m;-X向性能点处结构等效阻尼比约为10%,基底剪力约为56013.4kN,顶点位移-0.135m;+Y向性能点处结构等效阻尼比约为14.2%,基底剪力为40163.3kN,顶点位移0.189m;-Y向性能点处结构等效阻尼比约为14.0%,基底剪力约为43800.8kN,顶点位移-0.14m。如图9所示,T1结构4个方向的推覆分析表明,罕遇地震作用下(性能点处)最大层间位移角均发生在体型收进位置,采用在体型收进位置附加斜撑的增强措施后,X方向最大层间位移角为1/258,Y方向最大为1/124,均满足《高规》中对于框架-核心筒结构最大层间弹塑性位移角小于1/100的要求。根据多次静力弹塑性分析结果,若仅采用增大体型收进位置构件配筋的措施,结构仍在该位置过早发生破坏,且能力谱无性能点。可见,通过该加强措施,一定程度地降低了体型收进造成的刚度突变影响,保障了整体结构的抗震性能。4.3结构整体屈服第一阶段:X及Y向推覆过程中,当荷载达到弹性小震水平时,结构仅有少量水平构件(主要为连梁)发生屈服,但各方向推覆曲线仍保持直线,整体结构仍基本处于弹性状态;第二阶段:当推覆荷载由小震增加至弹性中震水平过程中,结构大部分连梁及部分框架梁发生屈服,导致结构整体刚度下降,推覆曲线因而呈现弯曲。但是需要指出的是,X方向推覆中,结构竖向构件(所有的柱、剪力墙)、悬挑部分钢结构及斜撑均未发生屈服;Y方向推覆中除个别斜撑屈服外,结构竖向构件(所有的柱、剪力墙)、悬挑部分钢结构亦未发生屈服;第三阶段:当达到性能点时,结构发生屈服的水平构件数量及范围进一步扩大,部分水平构件进入了强度强化阶段(参见图5);并且结构部分竖向构件发生屈服,其分布主要集中在侧向推覆分析时结构的受拉侧(参见图10)。第四阶段:当达到计算终止时,结构大部分水平构件发生屈服,并且部分水平构件甚至进入了残余强