摘要：对平立面均不规则的建筑结构，在进行《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001）设计原则也作了相应的规定。虽然目前为止规范中没有硬性规定，对于平面及立面均不规则的建筑必须设置抗震缝。但是合理的建筑布置在抗震设计中是头等重要的，本文利用弹塑性时程分析可以更有效地找出平面不规则结构在罕遇地震作用下的薄弱层,特别是在地震波输入方向不同的情况下,我们可以进一步了解此类结构塑性铰的发展情况。
关键词：平面部规则；抗震设计
1结构平面不规则概述
1.1平面质量偏心
楼层各部分构件截面尺寸不同,必然产生质量偏心。即使是名义上的质量对称结构,由于质量分布具有随机性,以及施工质量和材料等各种条件的不确定性,可以认为结构一定存在质量偏心。假设自重是一个随机变量,由概率分析可知,当仅考虑质量分布的不均匀性带来的偶然偏心,可以认为0.05倍垂直于地震作用方向边长作为偶然偏心距具有一定的保证率。
1.2平面刚度偏心
“名义刚度”是在设计计算采用的理想化模型中按照构件弹性模量与截面尺寸通过公式计算得到的刚度值,“实际刚度”是施工建造完成后的结构在确定荷载分布和约束条件下的荷载位移比值。由于建筑材料性质的不稳定性、构件尺寸控制的误差、施工工艺和条件的限值、构件受荷历程的差别、构件实际约束与理想化模型的差异等因素的存在,造成了结构实际刚度的不确定性。即使名义上均匀对称的结构,实际上也存在一定程度的偏心,即抗侧刚度的分布发生改变,同时抗扭刚度、扭侧刚度比等也会随之改变。
1.3平面强度偏心
结构的质量和刚度不对称分布是比较直观的偏心现象,而结构由于抗侧力构件的强度不同而造成的强度偏心很容易被忽略。设计中不同的构件有不同的设计屈服强度,同时构件实际屈服时的强度并不容易被精确的确定,因此强度偏心与质量和刚度偏心一样不可回避。混凝土、型钢或钢筋等结构材料的不确定性,实配钢筋与计算钢筋的差别,以及构造方面的要求造成实际屈服强度与设计强度不同,或由于设计上的需求,都会产生构件屈服强度的差异。结构因存在强度偏心,进入弹塑性状态之后,构件屈服水平不同,屈服次序有先后,抵抗合力作用点将随时变化,而引起弹塑性扭转。
2.案例分析
2.1结构体系
某L形平面高层住宅(见图1),短边翼缘长度l=24m,翼缘厚度b=14,且结构的最大宽度Bmax=38m,结构的l/b=1.7,满足规范规定的2.0,但l/Bmax=0.63,超出规范规定的0.35,属于平面不规则结构。该结构采用现浇钢筋混凝土框架—剪力墙结构,地下1层,地上18层,层高3.2m,现浇钢筋混凝土楼面。抗震设防烈度为7度,Ⅱ类场地,设计地震分组为第一组。框架柱和剪力墙的混凝土强度等级均采用C40,剪力墙墙厚为300mm。本模型分析计算时将地下室作为嵌固层。同时,为了下文的表述现将结构分为如图1所示的三部分。
图1结构平面布置图
2.2结构模型和地震动
采用SAP2000三维空间有限元分析软件对上述框架—剪力墙结构进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。首先进行罕遇地震下的初步分析,观察塑性铰分布情况,发现剪力墙处均未出现塑性铰,即剪力墙一直处于弹性工作阶段。因此,为提高计算结构的精确性,同时考虑到在现行软件中对剪力墙进行模拟的争议,将剪力墙仍采用壳单元进行分析,而在梁、柱上仍然设置塑性铰。
弹塑性时程分析采用了El-Centro波、神户波和人工波],并根据抗规要求,将以上地震动的峰值调整至7度(0.10g),地区罕遇地震下的加速度峰值220cm/s2。
2.3抗震性能
表1显示在罕遇地震作用下,时程波输入方向不同导致结构两主轴方向层间位移角最大响应值的变化情况。
表1各层最大层间位移角
分析结果表明,神户波和人工波引起的结构地震反应较大,El-Centro相对较小,结构X方向的位移响应略大于Y方向的位移响应;神户波作用下结构X,Y方向层间位移角最大,分别为1/255和1/284,满足规范1/100的限值要求,说明结构在7度罕遇地震(设计基本地震加速度为0.10g)下具有良好的弹塑性变形性能,不致因薄弱层弹塑性变形集中而倒塌。
2.4塑性铰的发生及分布情况
结构的弹塑性变形验算满足规范要求后,我们要进一步观察结构的塑性铰发展及分布情况。为更加直观的描述各方向输入地震波时,结构塑性铰的分布情况及发生顺序,现将塑性铰分类如下:1)短剪力墙连梁;2)长剪力墙连梁;3)短框架梁连梁;4)长框架梁连梁;5)与剪力墙相连的框架梁。按梁的布置方向分为:X方向和Y方向;将结构分为三大部分,即如图1所示的①,②,③。塑性铰的具体情况见表2。
表2塑性铰发生顺序及分布情况
注：②表示在②部分沿X方向的短剪力墙出现塑性铰
我们可以从几个方面进行分析:从结构在罕遇地震作用下的塑性铰发生的构件来看,塑性铰首先出现在剪力墙间距较小的连梁端部,这些部位的弹塑性变形最大,其次出现在剪力墙间距略大的连梁端部,最后在与剪力墙相连的框架梁端部出现,部分框架梁在框架柱端也出现了塑性铰,但剪力墙及框架柱等主要抗侧力构件均未达到屈服点,满足“强柱弱梁”的抗震设计原则;从在整个结构中产生的部位来看,塑性铰首先是在结构拐角处,即②处产生,之后根据地震波输入方向的不同发生在结构的①处或③处;根据输入方向的不同,我们可以看出,沿非主轴方向输入地震波时,结构中塑性铰的产生及分布情况比沿主轴方向复杂得多。
3.结语
合理的建筑布置在抗震设计中是头等重要的。地震地面运动作用下,建筑物的损伤破坏首先会出现在结构抗震系统的薄弱部位,薄弱部位的损伤破坏会进一步加剧结构抗震性能的退化,从而导致结构整体的倒塌。建筑物的薄弱部位主要来源于结构配置的缺陷或不规则,不规则结构在地震时易造成震害。本文利用弹塑性时程分析可以更有效地找出平面不规则结构在罕遇地震作用下的薄弱层,特别是在地震波输入方向不同的情况下,我们可以进一步了解此类结构塑性铰的发展情况。对平面不规则结构的抗震设计，对于结构师而言，就是要在满足结构设计规范要求的前提下，尽量配合建筑师，建造出让人们觉得耳目清新的建筑。同时，结构师在进行结构设计时，还要考虑结构造价等经济方面的因素。使结构设计既满足建筑需求，又使甲方满意。
参考文献：
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