基于能力譜法的靜力彈塑性分析

基于能力譜法的靜力彈塑性分析

1考慮拉壓靜力彈塑化分析是一種對(duì)結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的新方法。該方法既能夠校核結(jié)構(gòu)在多遇地震下的彈性設(shè)計(jì)結(jié)果,也能夠確定結(jié)構(gòu)在罕遇地震下潛在的破壞機(jī)制,找到最先破壞的薄弱環(huán)節(jié),使設(shè)計(jì)人員在一定程度上了解結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的彈塑性反應(yīng)特性。該方法概念清晰,實(shí)施簡(jiǎn)單,已在國(guó)內(nèi)外都得到廣泛的應(yīng)用。2靜力分析的基本過(guò)程SAP2000提供的Pushover分析方法,采用的是ATC-40提供的能力譜法,其基本分析過(guò)程如下:2.12.2塑性鉸的布置SAP2000給框架單元提供了彎矩(M)、剪力(V)、軸力(P)、軸力和彎矩相關(guān)(PMM)四種塑性鉸,程序允許在一根構(gòu)件的任意部位布置一個(gè)或多個(gè)塑性鉸。塑性鉸應(yīng)布置在構(gòu)件相應(yīng)受力最大的部位,對(duì)梁?jiǎn)卧?通常是在兩端設(shè)置彎曲塑性鉸(M);對(duì)柱單元,在兩端設(shè)置壓彎鉸(PMM);對(duì)中心支撐應(yīng)在中部設(shè)置軸力鉸(P);在剪力最大處,應(yīng)設(shè)置剪切鉸(V)。2.3兩個(gè)方向平動(dòng)為主的第一、二振型時(shí)SAP2000提供了自定義分布、均勻加速度分布和振型荷載分布3種側(cè)向加載模式。均勻加速度分布相當(dāng)于均勻分布;振型荷載分布(當(dāng)取兩個(gè)方向平動(dòng)為主的第一、二振型時(shí)),相當(dāng)于倒三角分布。施加側(cè)向荷載前,應(yīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)的豎向荷載,豎向荷載由房屋自重和樓面使用荷載組成,豎向荷載在整個(gè)Pushover過(guò)程中,其大小始終保持不變。通常Pushover工況可采用:1)豎向荷載+振型1(倒三角形分布)(X向)2)豎向荷載+振型2(倒三角形分布)(Y向)3)豎向荷載+X向加速度(均勻分布)4)豎向荷載+Y向加速度(均勻分布)2.4地震反應(yīng)的引導(dǎo)變形經(jīng)Pushover分析后,得到性能點(diǎn),根據(jù)性能點(diǎn)時(shí)的變形,對(duì)以下3個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià):1)頂點(diǎn)側(cè)移是否滿足抗震規(guī)范規(guī)定的彈塑性頂點(diǎn)位移限值。2)層間位移角是否滿足抗震規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角限值。3)構(gòu)件的局部變形是指梁、柱等構(gòu)件塑性鉸的變形,檢驗(yàn)它是否超過(guò)建筑某一性能水準(zhǔn)下的允許變形。ATC-40將房屋遭受地震后,可能出現(xiàn)的狀態(tài)主要分為IO(ImmediateOccupancy)、DC(DamageControl)、LS(LifeSafety)、SS(StructuralStability)4種狀態(tài),可解釋為“立即居住”、“損壞控制”、“生命安全”和“結(jié)構(gòu)穩(wěn)定”。ATC-40給出了梁、柱、墻等構(gòu)件在上述幾種相應(yīng)狀態(tài)下的塑性限值,無(wú)論何種類型鉸,都可以用圖1表示,縱軸表示軸力、彎矩、剪力等,橫軸表示軸向變形、曲率、轉(zhuǎn)角等,其中B、IO、LS、CP(CollapsePrevention)、C為性能點(diǎn),其中B點(diǎn)出現(xiàn)塑性鉸,C點(diǎn)為倒塌點(diǎn),CP為預(yù)防倒塌點(diǎn),各性能點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為相應(yīng)的彈塑性位移限值。3工程特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)北京飯店二期改擴(kuò)建工程商業(yè)部分位于北京市東城區(qū)王府井地區(qū)E3地塊,共8層(局部7層),總建筑高度34.55m。該結(jié)構(gòu)為鋼框架-支撐體系(錯(cuò)層結(jié)構(gòu)),平面布置見圖2,結(jié)構(gòu)三維分析模型見圖3;結(jié)構(gòu)首層層高為5.6m,頂上2層層高為3.9m,中間錯(cuò)層部分層高分別為5.25m(7層部分)和4.2m(8層部分),見圖4。鋼材采用Q345GJC,主要構(gòu)件斷面見表1。首層27軸至30軸之間為市政道路,2層采用鋼桁架轉(zhuǎn)換。工程抗震設(shè)防類別為乙類;抗震設(shè)防烈度為8度;場(chǎng)地類別為Ⅱ類;設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.2g;設(shè)計(jì)地震分組為第一組;基本風(fēng)壓:0.50kN/m2,地面粗糙度為C類,基本雪壓:0.40kN/m2。結(jié)構(gòu)在多遇地震下的側(cè)移和層間位移角見表2。X向的最大層間位移角為1/700,滿足限值1/300的要求。Y向的最大層間位移角為1/667,滿足限值1/300的要求;該結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為9×104t,動(dòng)力特性見表3。4靜力彈塑料的推擠分析4.1根據(jù)抗震規(guī)范的反應(yīng)譜計(jì)算地震反應(yīng)譜采用SAP2000提供的缺省塑性鉸本構(gòu)模型,將彎矩(M)鉸賦予梁的兩端、軸力和彎矩相關(guān)(PMM)鉸賦予柱兩端,軸力(P)鉸賦予支撐中部。本工程屬于中等高度建筑(34.55m),故采用振型荷載(倒三角形荷載)作用在縱、橫2個(gè)方向,即2個(gè)工況是:1)豎向荷載+振型1(X向)2)豎向荷載+振型2(Y向)按照抗震規(guī)范,應(yīng)進(jìn)行多遇地震作用和罕遇地震作用兩種情況下的計(jì)算。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范中的地震反應(yīng)譜與SAP2000中的反應(yīng)譜(見圖5)的對(duì)比,可以確定系數(shù)CA、CV。8度多遇地震:CA=0.072,CV=0.0728度罕遇地震:CA=0.36,CV=0.364.2結(jié)論分析1彈性反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果經(jīng)Pushover分析,得到X向的性能點(diǎn)(Sa=0.062,Sd=0.0245);性能點(diǎn)處的基底剪力和頂點(diǎn)位移Vb=4.65×104kN,Un=0.031m<0.035m(彈性反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果,見表1)。Y向的性能點(diǎn)(Sa=0.068,Sd=0.022);性能點(diǎn)處的基底剪力和頂點(diǎn)位移Vb=2.96×104kN,un=0.024m<0.039m(彈性反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果,見表1)。在達(dá)到上述狀態(tài)時(shí),各桿件沒有產(chǎn)生塑性鉸,極限位移略小于反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果。X向及Y向底層剪力-頂點(diǎn)位移關(guān)系曲線見圖6和圖7。2性能點(diǎn)和塑性鉸的分析罕遇地震作用下,得到X向性能點(diǎn)(Sa=0.216,Sd=0.098);性能點(diǎn)處的基底剪力Vb=1.618×105kN,頂點(diǎn)位移Un=0.121m<1/50×34.55=0.69m(0.5%是抗震規(guī)范規(guī)定的鋼結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值),故X向頂點(diǎn)位移滿足彈塑性極限要求。Y向性能點(diǎn)(Sa=0.312,Sd=0.103);性能點(diǎn)處的基底剪力Vb=1.36×105kN,Un=0.111m,頂點(diǎn)位移Un=0.111m<1/50×34.55=0.69m,故Y向頂點(diǎn)位移滿足彈塑性極限要求。在性能點(diǎn)狀態(tài)時(shí)的X向和Y向側(cè)移和層間位移角見表4。從表4可見,X向和Y向的最大層間位移角均小于抗震規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角限值0.5%,所以,該結(jié)構(gòu)的層間位移角也滿足彈塑性極限的要求。X向、Y向在性能點(diǎn)時(shí)的塑性鉸分布如圖8、圖9所示,塑性鉸主要出現(xiàn)在梁、斜支撐、底層柱等部位,塑性鉸的變形均落在B-IO、IO-LS兩種區(qū)段內(nèi),承載力完好。綜合以上分析,該工程能滿足多遇地震作用下的使用要求,且在罕遇地震作用下,具有足夠的變形能力,滿足我國(guó)規(guī)范中大震不倒的要求。5中等高度建筑抗震性能評(píng)估采用SAP2000程序?qū)Ρ本╋埖甓诟臄U(kuò)建工程商業(yè)部分進(jìn)行了靜力彈塑性(P