不规则建筑结构的抗震性能评价

1 / 7 不规则建筑结构的抗震性能评价 不规则建筑结构的抗震性能评价 摘要：历次地震的震害经验表明，建筑结构的平面规则性对结构的抗震性能有重要影响。平面较规则的结构在地震作用下扭转反应较小，损伤较轻；而结构平面布置不规则不连续所产生的扭转效应而导致的结构破坏是相当严重的。因此，在建筑设计向复杂不规则发展的情况下，对不规则结构在地震作用下的扭转反应研究及如何对其进行性能评估具有较强的理论意义和现实意义。 第一是楼层质心的偏移，这是由于质量分布的随机性造成的，主要表现在结构自重和荷载的实际分布 变化，质量中心与结构的几何中心不重合，存在一定程度的偏离；第二，由于施工工艺和条件的限制、构件尺寸控制的误差、结构材料性质的变异性、构件受荷历程的不同、构件实际的边界条件与设想的差别等因素，使刚度存在不确定性，造成的刚度中心偏移；第三是结构刚度退化的不均匀，当结构进入弹塑性阶段时，本来是规则对称的结构，也会出现随变形形态而变化的扭转效应，例如，结构某一角柱进入弹塑性状态，它的刚度较弹性阶段时小，而其他的角柱可能仍处于弹性阶段，这时，刚度分布在结构平面内发生了变化，导致刚度不对称，使结构产生扭转反应。 2 / 7 方法的功能 析方法本质上是静力弹塑性方法。通过对结构施加沿高度呈一定分布的水平单调递增荷载，将结构推至某一预定的目标位移或者使结构成为机构后，则中止加大水平荷载，并对结构性能进行评价，以判断结构能否达到预设的性能水平。如果满足不了要求，则应该采取相应的加固措施。 析方法主要用于检验新设计的结构和评估在用结构的性能是否满足不同强度地震作用下的设计性能目标。该方法的主要功能包括： 判断结构抗震承载能力。基于性能的抗震设计需要对比两个基本量，即 抗震能力与抗震需求。 析可以得到结构的基底剪力与顶点位移关系曲线、层剪力与层间位移关系曲线，即结构的能力曲线。结构的能力曲线从总体上反映了结构抵抗水平力的能力。基于性能的抗震设计中，结构首先必须满足承载力的要求。若结构具有的承载力大于地震作用下的基底剪力或层剪力，则承载力满足要求，若略小于则需要修改设计。若小很多，应该重新设计结构，对于在用建筑则需要进行抗震加固。 分析结构的行为。 析可以大致预测结构在水平力作用下的行为，从而获得结构构件弹性开裂屈服弹塑性承 载力下降的全过程，另外，还可得到结构杆端3 / 7 出现塑性铰的先后顺序、塑性铰的分布和结构的薄弱部位等。 建立结构整体位移与构件局部变形的关系。结构的顶点位移或层间位移，是由构件的变形产生的。 析可以得到结构达到目标位移时杆端塑性转角的大小，甚至杆端截面混凝土极限压应变的大小，从而可以确定对杆端塑性铰区的约束要求，以保证杆件有足够的变形能力。 用于弹塑性时程分析。 析得到的层剪力层间位移曲线即为该结构剪切刚度层模型的层间滞回曲线的骨架曲线，将其折线化并选取合适的恢 复力模型即可进行层模型的弹塑性时程反应分析。 方法的基本理论 1、基本假定 析方法实质上是静力弹塑性方法。该方法没有严格的理论基础，它主要建立在多自由度体系的结构反应可以与对应的一个等效单自由度体系的反应相关联的基础上，其基本假定为： 结构的地震反应由第一振型控制； 在每一荷载步内，结构沿高度的变形由形状向量 表示，在这一步的反应中，不管结构的变形大小，形状向量始终保持不变。 上述两个假定都不完全正确，但是已有的研究表明，4 / 7 对于 某一周期不是很长且由第一振型控制的结构，采用法可以很好的预测结构的地震反应。 2、 析方法的实施 建立结构和构件的分析模型，其中包括所有对结构重量、强度和刚度影响小可忽略的构件以及所有对满足抗震设防水准影响显著的构件。在对结构施加水平荷载之前，在结构上施加竖向荷载。 选择侧向荷载分布形式。在结构高度方向的荷载分布形式，应能近似地包络住地震过程的惯性力沿结构高度的实际分布。当进行三维分析时，荷载在水平方向分布应能模拟每一楼层隔板上的惯性力分布，确 定之后将其施加于各个楼层的质心处。水平荷载值的选取应使结构在该水平荷载增量作用下的结构内力和竖向荷载作用下的结构内力以及前面所有的 n 步的累计内力叠加后，使一个或者一批构件进入屈服状态。 根据所选的加载模式，逐步增加侧向荷载。侧向荷载增加到最薄弱的构件达到刚度发生明显的变化，一般达到结构屈服荷载或构件达到屈服承载力。修改分析模型中的屈服构件刚度特性，以反映构件屈服后的特性。继续加大侧向荷载或位移，此时可以采用同一个侧向荷载分布形式，或采用规定容许的新的分布形式。构件性能的修正采用以下方式： a）弯曲构件达到屈服承载力的位置设置铰； 5 / 7 b）取消某一楼层达到抗剪强度的剪力墙刚度； c）支撑构件达到压屈后，承载力迅速降低时，取消这个支撑； d）若构件在刚度减小后仍能继续承担荷载时，修正其刚度。 重复步骤，直到更多的构件达到屈服承载力。对屈服结构加载全过程的荷载形式仍可保持原样，也可以采用另外的可选择的分布形式。对于每一荷载步，计算结构的内力、弹塑性变形。 记录所有加载步的构件内力和变形，以期获得各个阶段所有构件的总内力和变形。 继续加载到结 构达到不可接受性能状态或顶点位移了超过设计地震下控制点处的最大位移。 画出控制点的位移与底部剪力在不同加载阶段关系曲线，作为代表结构的非线性反应曲线。 通过以上步骤，可以得到结构的力位移曲线，作为性能评估的基础。再用等能量的原则进一步简化为双线性骨架曲线，通过位移影响系数法或能力谱法进行结构抗震性能的评估。 分析模型 以偏心框剪结构作为研究对象，进行三维静力弹塑性分析，并与动力弹塑性分析数据对比。结构模型的平面布置6 / 7 如图 1 所示。结构总共 8 层，其中第一层层高米，其余各层层高为 3 米。结构质量均匀分布，因此质心与形心重合。结构模型在 x 方向上刚度对称， y 方向上存在刚度偏心。 层间位移与层间扭转角 首先用弹塑性时程分析方法计算结构地震作用下可能达到的最大位移，以此作为静力弹塑性分析的目标位移。地震波选用 1940 年 震时 南北分量。地震波从 y 方向输入，结构的阻尼采用瑞雷阻尼，阻尼比为。我国现行的建筑抗震设计规范规定， 7 度罕遇地震时所用地震加速度时程的最大值为 220cm/此在进行弹塑性时程计算时，地震波的峰 值加速度调整为220cm/ 由弹塑性时程分析方法得到结构在地震作用下达到的最大位移为，将此作为目标位移。 析可以得到的质心、刚性边和柔性边的位移、层间位移，以及质心处的扭转角，它们是反映偏心框剪结构弹塑性扭转的重要指标。分别将它们的结果与用弹塑性时程分析方法得到的结果进行对比，并评估 法准确的准确性。 法及弹塑性时程分析方法计算的层间位移结果表明： 在质心处，自适应分布得到的层间位移小于时程分析的结果，同时也小于其他两种加载方式的结果 ；倒三角分布得到的层间位移大于时程分析的结果，随着楼层数的增大，7 / 7 差别越小；在下部楼层，均匀分布得到层间位移大于时程分析的结果，而在上部楼层，其结果与时程分析吻合较好。 从刚性边位移与层间位移可以看出：均匀分布得到的刚性边层间位移与时程分析结果相差较小；在上部楼层，自适应分布得到的层间位移小于时程分析的结果，而倒三角分布则大于时程分析