摘要：對(duì)平立面均不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2001）設(shè)計(jì)原則也作了相應(yīng)的規(guī)定。雖然目前為止規(guī)范中沒有硬性規(guī)定，對(duì)于平面及立面均不規(guī)則的建筑必須設(shè)置抗震縫。但是合理的建筑布置在抗震設(shè)計(jì)中是頭等重要的，本文利用彈塑性時(shí)程分析可以更有效地找出平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的薄弱層,特別是在地震波輸入方向不同的情況下,我們可以進(jìn)一步了解此類結(jié)構(gòu)塑性鉸的發(fā)展情況。
　　關(guān)鍵詞：平面部規(guī)則；抗震設(shè)計(jì)
　　
　　1結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則概述
　　1.1平面質(zhì)量偏心
　　樓層各部分構(gòu)件截面尺寸不同,必然產(chǎn)生質(zhì)量偏心。即使是名義上的質(zhì)量對(duì)稱結(jié)構(gòu),由于質(zhì)量分布具有隨機(jī)性,以及施工質(zhì)量和材料等各種條件的不確定性,可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)一定存在質(zhì)量偏心。假設(shè)自重是一個(gè)隨機(jī)變量,由概率分析可知,當(dāng)僅考慮質(zhì)量分布的不均勻性帶來的偶然偏心,可以認(rèn)為0.05倍垂直于地震作用方向邊長(zhǎng)作為偶然偏心距具有一定的保證率。
　　1.2平面剛度偏心
　　“名義剛度”是在設(shè)計(jì)計(jì)算采用的理想化模型中按照構(gòu)件彈性模量與截面尺寸通過公式計(jì)算得到的剛度值,“實(shí)際剛度”是施工建造完成后的結(jié)構(gòu)在確定荷載分布和約束條件下的荷載位移比值。由于建筑材料性質(zhì)的不穩(wěn)定性、構(gòu)件尺寸控制的誤差、施工工藝和條件的限值、構(gòu)件受荷歷程的差別、構(gòu)件實(shí)際約束與理想化模型的差異等因素的存在,造成了結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度的不確定性。即使名義上均勻?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu),實(shí)際上也存在一定程度的偏心,即抗側(cè)剛度的分布發(fā)生改變,同時(shí)抗扭剛度、扭側(cè)剛度比等也會(huì)隨之改變。
　　1.3平面強(qiáng)度偏心
　　結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度不對(duì)稱分布是比較直觀的偏心現(xiàn)象,而結(jié)構(gòu)由于抗側(cè)力構(gòu)件的強(qiáng)度不同而造成的強(qiáng)度偏心很容易被忽略。設(shè)計(jì)中不同的構(gòu)件有不同的設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度,同時(shí)構(gòu)件實(shí)際屈服時(shí)的強(qiáng)度并不容易被精確的確定,因此強(qiáng)度偏心與質(zhì)量和剛度偏心一樣不可回避。混凝土、型鋼或鋼筋等結(jié)構(gòu)材料的不確定性,實(shí)配鋼筋與計(jì)算鋼筋的差別,以及構(gòu)造方面的要求造成實(shí)際屈服強(qiáng)度與設(shè)計(jì)強(qiáng)度不同,或由于設(shè)計(jì)上的需求,都會(huì)產(chǎn)生構(gòu)件屈服強(qiáng)度的差異。結(jié)構(gòu)因存在強(qiáng)度偏心,進(jìn)入彈塑性狀態(tài)之后,構(gòu)件屈服水平不同,屈服次序有先后,抵抗合力作用點(diǎn)將隨時(shí)變化,而引起彈塑性扭轉(zhuǎn)。
　　2.案例分析
　　2.1結(jié)構(gòu)體系
　　某L形平面高層住宅(見圖1),短邊翼緣長(zhǎng)度l=24m,翼緣厚度b=14,且結(jié)構(gòu)的最大寬度Bmax=38m,結(jié)構(gòu)的l/b=1.7,滿足規(guī)范規(guī)定的2.0,但l/Bmax=0.63,超出規(guī)范規(guī)定的0.35,屬于平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu),地下1層,地上18層,層高3.2m,現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓面。抗震設(shè)防烈度為7度,Ⅱ類場(chǎng)地,設(shè)計(jì)地震分組為第一組。框架柱和剪力墻的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均采用C40,剪力墻墻厚為300mm。本模型分析計(jì)算時(shí)將地下室作為嵌固層。同時(shí),為了下文的表述現(xiàn)將結(jié)構(gòu)分為如圖1所示的三部分。
　　
　　圖1結(jié)構(gòu)平面布置圖
　　2.2結(jié)構(gòu)模型和地震動(dòng)
　　采用SAP2000三維空間有限元分析軟件對(duì)上述框架—剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析。首先進(jìn)行罕遇地震下的初步分析,觀察塑性鉸分布情況,發(fā)現(xiàn)剪力墻處均未出現(xiàn)塑性鉸,即剪力墻一直處于彈性工作階段。因此,為提高計(jì)算結(jié)構(gòu)的精確性,同時(shí)考慮到在現(xiàn)行軟件中對(duì)剪力墻進(jìn)行模擬的爭(zhēng)議,將剪力墻仍采用殼單元進(jìn)行分析,而在梁、柱上仍然設(shè)置塑性鉸。
　　彈塑性時(shí)程分析采用了El-Centro波、神戶波和人工波],并根據(jù)抗規(guī)要求,將以上地震動(dòng)的峰值調(diào)整至7度(0.10g),地區(qū)罕遇地震下的加速度峰值220cm/s2。
　　2.3抗震性能
　　表1顯示在罕遇地震作用下,時(shí)程波輸入方向不同導(dǎo)致結(jié)構(gòu)兩主軸方向?qū)娱g位移角最大響應(yīng)值的變化情況。
　　表1各層最大層間位移角
　　
　　分析結(jié)果表明,神戶波和人工波引起的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)較大,El-Centro相對(duì)較小,結(jié)構(gòu)X方向的位移響應(yīng)略大于Y方向的位移響應(yīng);神戶波作用下結(jié)構(gòu)X,Y方向?qū)娱g位移角最大,分別為1/255和1/284,滿足規(guī)范1/100的限值要求,說明結(jié)構(gòu)在7度罕遇地震(設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g)下具有良好的彈塑性變形性能,不致因薄弱層彈塑性變形集中而倒塌。
　　2.4塑性鉸的發(fā)生及分布情況
　　結(jié)構(gòu)的彈塑性變形驗(yàn)算滿足規(guī)范要求后,我們要進(jìn)一步觀察結(jié)構(gòu)的塑性鉸發(fā)展及分布情況。為更加直觀的描述各方向輸入地震波時(shí),結(jié)構(gòu)塑性鉸的分布情況及發(fā)生順序,現(xiàn)將塑性鉸分類如下:1)短剪力墻連梁;2)長(zhǎng)剪力墻連梁;3)短框架梁連梁;4)長(zhǎng)框架梁連梁;5)與剪力墻相連的框架梁。按梁的布置方向分為:X方向和Y方向;將結(jié)構(gòu)分為三大部分,即如圖1所示的①,②,③。塑性鉸的具體情況見表2。
　　表2塑性鉸發(fā)生順序及分布情況

　　注：②表示在②部分沿X方向的短剪力墻出現(xiàn)塑性鉸
　　
　　我們可以從幾個(gè)方面進(jìn)行分析:從結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的塑性鉸發(fā)生的構(gòu)件來看,塑性鉸首先出現(xiàn)在剪力墻間距較小的連梁端部,這些部位的彈塑性變形最大,其次出現(xiàn)在剪力墻間距略大的連梁端部,最后在與剪力墻相連的框架梁端部出現(xiàn),部分框架梁在框架柱端也出現(xiàn)了塑性鉸,但剪力墻及框架柱等主要抗側(cè)力構(gòu)件均未達(dá)到屈服點(diǎn),滿足“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)原則;從在整個(gè)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的部位來看,塑性鉸首先是在結(jié)構(gòu)拐角處,即②處產(chǎn)生,之后根據(jù)地震波輸入方向的不同發(fā)生在結(jié)構(gòu)的①處或③處;根據(jù)輸入方向的不同,我們可以看出,沿非主軸方向輸入地震波時(shí),結(jié)構(gòu)中塑性鉸的產(chǎn)生及分布情況比沿主軸方向復(fù)雜得多。
　　3.結(jié)語
　　合理的建筑布置在抗震設(shè)計(jì)中是頭等重要的。地震地面運(yùn)動(dòng)作用下,建筑物的損傷破壞首先會(huì)出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)抗震系統(tǒng)的薄弱部位,薄弱部位的損傷破壞會(huì)進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)抗震性能的退化,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的倒塌。建筑物的薄弱部位主要來源于結(jié)構(gòu)配置的缺陷或不規(guī)則,不規(guī)則結(jié)構(gòu)在地震時(shí)易造成震害。本文利用彈塑性時(shí)程分析可以更有效地找出平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的薄弱層,特別是在地震波輸入方向不同的情況下,我們可以進(jìn)一步了解此類結(jié)構(gòu)塑性鉸的發(fā)展情況。對(duì)平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，對(duì)于結(jié)構(gòu)師而言，就是要在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的前提下，盡量配合建筑師，建造出讓人們覺得耳目清新的建筑。同時(shí)，結(jié)構(gòu)師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮結(jié)構(gòu)造價(jià)等經(jīng)濟(jì)方面的因素。使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既滿足建筑需求，又使甲方滿意。
　　
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