谈结构抗震设计与结构变形能力的关系

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  【摘要】Pushover分析法是静力非线性分析方法,它能够将静力弹塑性和反应谱相结合进行图解和快速计算,因此在高程结构的设计分析中广泛应用。本文笔者将结合具体的高层结构计算实例,应用Pushover分析法对该高层结构在地震作用下的结构变形进行分析,希望能对类似工程起到借鉴作用。
  【关键词】高层结构;Pushover分析;地震作用
  随着我国高层建筑的不断发展,在进行结构设计时,需要充分考虑到结构的抗震设计。进行结构抗震设计的基础理论有很多,其中广泛应用的一种为基于结构变形的抗震设计。在对结构进行抗震设计的基础上,通过对地震荷载作用下结构位移计算,可以得到结构的具体变形情况,从而为结构抗震设计的效果进行验证,同时也可以以此为依据对结构进行进一步的抗震设计优化。本文笔者将结合具体的结构设计工程实例,在对结果进行抗震设计的基础上,采用软件对结果的变形情况进行Pushover分析,从而了解到结构在地震作用下结构变形能力。
  1.工程概况
  本工程为广东省某一高层建筑,一共有29层,每层的高度为3m,结构形式为框架-剪力墙结构,本工程抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.2g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅱ类,多遇地震水平地震影响系数最大值为0.16,特征周期为0.35秒。本结构竖向刚度有2次突变,分别位于10层和20层,随着高度的增加,结构层间侧向刚度逐渐变小。从1层到10层,层间刚度最大,而从11层到29层,层间刚度逐层逐渐减小。
  2.抗震设计的相关技术
  2.1剪力墙的布置
  (1)剪力墙的布置应沿着结构的纵、横两个方向,同时尽量做到分散、均匀、对称。如果在平面上布置剪力墙时难以做到对称,可以对剪力墙的长度和厚度进行适当的调整,从而使结构的抗侧刚度中心和质量中心尽量接着,这样可以有效的减少地震荷载作用下结构的扭转振动反应。当在对结构的刚度中心进行确定时,还应充分考虑砖填充墙之类的刚性隔墙和围护墙对结构刚度的应用。
  (2)在结构的两个主轴方向,均应沿着两条以上的轴线布置剪力墙,同时相邻剪力墙之间的间距应控制在一定的范围之内,不宜过小。当在有条件的情况下,应沿着整个结构的周边布置剪力墙,这样可以有效的提高结构的抗扭刚度。
  (3)在楼盖水平刚度出现急剧变化的地方,应布置剪力墙,同时在较大洞口的两侧也应布置剪力墙。
  (4)在结构凸出部位的端头宜设置剪力墙。
  (5)剪力墙在布置时,应避免出现刚度突变的问题,沿着结构的竖向均应布置。
  (6)整个结构从上到下布置剪力墙时,应逐渐减少剪力墙的厚度,此外,混凝土强度等级出现变化的楼层应与墙厚出现变化的楼层错开。
  (7)当在墙面需要进行大开洞的位置,应尽量避免设置剪力墙。
  (8)当在结构各层的剪力墙上开设洞口时,上下洞口应对其,同时洞口的面积占整个墙面面积的比例不得超过1/6,洞口的梁高应控制在层高的1/5以上。
  (9)当进行纵向剪力墙的布置时,应尽量避免集中布置在结构的两尽端。
  2.2剪力墙的数量
  剪力墙数量的多少,直接关系到结构的安全、经济以及合理性。因此在进行剪力墙的布置时,其数量应满足以下的要求。
  (1)为了能够充分发挥框架-剪力墙结构的特点,底部的剪力墙所承担的地震弯矩值应控制在总地震弯矩值的50%以上。
  (2)沿结构单元的两个主轴方向,多遇地震作用下按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比应不大于1/800,罕遇地震作用下按弹塑性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比应不大于1/100。
  (3)在进行结构的计算时,在重力荷载效应和地震荷载效应的共同组合的情况下,剪力墙受压区的边柱如果按照受压状态进行配筋,其所得的钢筋量应比按受拉状态进行配筋所得钢筋量大,因此剪力墙边框柱的配筋不是由拉力控制的。通常情况下,剪力墙的数量越多,结构的抗震性能就越高,但是当剪力墙的数量过大时,反而是浪费的,不够经济。同时剪力墙数量越多,结构的刚度则越大,周期越短,地震对其的作用则要加大,这不仅会造成上部结构材料的增加,同时还会给基础设计带来困难。此外,在框架-剪力墙结构的设计时,对于水平剪力有最低限值的规定,即使所设置的剪力墙在多,框架的消耗材料也不会减少。因此当从结构抗震设计和经济性的角度进行共同分析,应对剪力墙布置较为合理的数量。
  2.3构造要求
  (1)剪力墙的厚度应同时满足不小于160mm和不小于层高的1/20的要求。在底部加强部分的剪力墙厚度应同时满足小于160mm和不小于层高的1/16的要求。
  (2)当在剪力墙的横向和竖向进行配筋时,其配筋率应控制在0.25%以上,同时应至少设置双排钢筋,并且在各排分布筋之间应设置拉筋,拉筋的间距应控制在600mm以内,直接应控制在6mm以上。
  3.地震作用下结构变形Pushover分析
  对本结构采取上述所提到的抗震设计措施后,采用SAP2000对其进行模态分析。在分析工况的设置中,控制荷载的施加方向选为y方向,模态加载采用侧向加载的方式。在加载的过程中,随着y方向所施加的荷载的不断增大,在结构的基底处,剪力随之不断增大,同时在结构的顶部,位移也逐级增大,而且在结构中的某些构件受力超过屈服强度,从而开始进入屈服阶段。当进入屈服阶段之后,结构中会产生塑性铰,这会引起本层侧向刚度的变化,从而整个结构的横向刚度在塑性铰的产生中出现一定的变化。上述整体结构的反应变化以加载达到控制荷载或结构倒塌失效为结束标准,结构倒塌失效时顶部位移应达到要求值。本结构采用Pushover分析法对该高层结构在地震作用下的行为反应进行分析一共进行了7步。
  本结构的Pushover分析,根据设定的参数,SAP2000分析软件得出了7步模拟结构失效,通过计算分析得到了在加载的变化下结构的基底总剪力和顶部位移的变化,如图1所示。
  从分析表明,随着结构基底总剪力的增大,结构的顶部位移随之不断增大,但是在曲线的最后,位移出现了折回的现象,这表明在最后结构发生了失效的现象,因此整个结构的模态分析到失效处即停止。在结构中,IO,LS和CP三个值代表着铰的能力水平,IO对应着直接使用,LS对应着生命安全,CP对应着防止倒塌。当达到C时,代表塑性铰开始失去承载力。C-D状态代表着塑性铰已经开始失去部分承载力,如表2中所示,当到达工况6时,已经有8个塑性铰处于C-D状态,有相当部分的承载力已经失去。D-E状态代表着塑性铰已经失去了大部分的承载力,从表2中可以看到,当到达工况7时,已经有42个塑性铰处于D-E状态,失去了大部分的承载力,基本已经快达到完全失效的界限。结合结构的基底总剪力和顶部位移的变化关系反向来看,当达到第7工况时,结构已经失效了。
  4.结语
  从结构设计实践表明,要有效地进行结构抗震设计,必须基于结构变形基础上而综合考虑,在对结构进行抗震设计的基础上,应该分析地震荷载作用下结构位移变化,结合结构变形情况,来为结构抗震设计提供有效依据,从而使得结构设计措施更加合理可靠。
  参考文献
  [1]吕西林,周定松,蒋欢军.钢筋混凝土框架柱的变形能力及基于性能的抗震设计方法 [J].地震工程与工程振动,2013,(03):26-29.
  [2]昊晶晶.基于位移的抗震设计方法中结构局部变形概率分布特征研究 [J].科技与企业,2013,(12):115-117.
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