汶川漩口中学办公楼抗震性能评估

所属栏目:中学教育论文 发布日期:2012-05-16 09:08 热度:

  摘要:本文将着重分析漩口中学在地震中未倒塌框架结构——办公楼抗震性能。采用5种不同的惯性力加载模式对结构进行Pushover分析,用能力谱法叠加求解结构的性能点来预测结构的抗震能力。
  关键字:混凝土框架结构,有限元分析,能力谱法,Pushover
  0前言
  2008年5月12日,我国四川省发生了里氏8.0级的特大地震,漩口中学位于5•12汶川地震震中极震区,实际地震烈度达11度,超过当地7度设防4度,也超过了8度大震水平近2度,因此结构发生严重破坏和倒塌可以认为不违反规范设计目标,因此,在地震中未倒建筑结构的抗震性能研究对于研究抗巨震倒塌具有重要价值。
  在大震作用下,结构处于弹塑性工作状态,目前的承载力设计方法,不能有效估计结构在大震作用下的工作性能。静力非线性分析可以估计结构和构件的非线性变形,这比承载力设计方法更接近实际。静力非线性分析相对于非线性时程分析,可以获得较为稳定的分析结果,减少分析结果的偶然性,同时可以大大节省分析时间和工作量。因此近年来在国内外广泛应用于评价结构抗震能力,采用这种方法计算结构的弹塑性地震反应将会逐渐为广大的工程设计人员所接受。
  1计算模型
  本文模型均按漩口中学办公楼实际尺寸和配筋情况建模,三维模型图如下图所示:
  
  图1办公楼结构三维模型
  2抗震性能评价
  2.1Pushover分析
  根据SAP2000里面提供的缺省的塑性铰本构关系模型,将弯矩(M3)塑性铰赋予梁的两端,轴力和弯矩相关(P-M2-M3)铰赋予柱两端,其中铰属性其他关键点由程序根据配筋数量及截面尺寸计算得出。
  在通常情况下,采用倒三角形的加载方式和均布的加载方式将得到Pushover曲线的上下限。所以本文结构将进行了如下5种工况的分析:1、X向重力+振型二;2、X向重力+振型一+二+三+五;3、X向重力+X向加速度;4、Y向重力+振型一;5、Y向重力+Y向加速度。
  表3各种工况所需的总步数和最大基底剪力(单位:kN)
  荷载模式 最大推覆力 所需总步数 初次卸载步
  工况1 1491.086 15 6
  工况2 1381.518 12 5
  工况3 1892.045 12 5
  工况4 1681.231 15 5
  工况5 1742.715 11 4
  对比上面的几种工况可以看出:
  工况3和工况5为模拟地震惯性力的均匀分布模式,在结构达到指定的目标位移之前,得到的基底剪力是最大的,X向的均匀加速度模式,最大的基底剪力也就是所需要的推覆力竟然达到了1892.045kN,Y向均匀加速度模式,最大的基地剪力也达到了1742.715KN,X向要略大于Y向剪力,这正是因为X向的刚度稍微要大些,工况2最小,因为荷载模式为各种工况的组合,都是部分X向参与和部分Y向参与。工况1所加荷载为结构单独第二振型荷载模式——X向平动,得到的推覆力在X向推覆力中居中。另外可以看到工况4下所需要的推覆力也很大,这也是可以理解的。因为工况4所加荷载为结构第一振型荷载模式,而第一振型是Y向平动,因此相当于在这个方向施加侧向荷载,故所需要的推覆力也很大。
  另外可以看到,在结构快要达到指定的顶点位移之前,结构的构件都发生了不同程度的卸载,结构构件因为出现塑性铰而发生内力重分布,甚至卸载而失去抵抗力成为机构。
  2.2抗震性能评价
  在得到结构的Pushover曲线后,根据抗震设防水准对结构的反应谱曲线进行折减我国抗震规范中的反应谱曲线与美国规范的区别,应对反应谱曲线进行转换工作。根据ATC-40可知,与水平地震影响系数最大值有关,近似等于0.4;和场地土特征周期值有关。
  由于工况数较多,不能一一分析,在后续讨论中,我们将振型一荷载工况为代表。振型一荷载工况在7度设防水准下性能点处的两结构层间位移角如下:
  
  (a)X向层间位移角(×10E-05)(b)Y向层间位移角(×10E-04)
  图7办公楼在7度地震时性能点处的层间位移角
  在7度设防情况下,由表6可知,在性能点处工况四所得到的顶点位移为最大。本章分析中结构的顶点位移采用的是Pushover分析方法得到,由此得到的结构的顶层位移可以作为评估结构整体抗震性能的一项指标,定义等效位移角为:
  (5)
  式中,为顶层位移,H代表建筑的高度。
  于是有,,由于第一振型为Y向,反应谱分析得到的Y向层间位移角最大值为,则,且小于抗震规范中规定的层间最大弹性位移角限制,说明办公楼7度设防水准下结构的层间位移角在弹性范围内,各杆内没有产生塑性铰,符合7度设防必须在弹性范围内的要求由,图7可知,7度水准下结构在振型一荷载作用下X向层间最大位移角为,Y向层间最大位移角为均小于反应谱分析所得,且均小于规范的弹性最大位移角的规定。由图可知,结构的最大层间位移角发生在第一层内。
  随着推覆步数的增加,结构由弹性阶段转向弹塑性阶段,由于刚度的不断削弱,结构的有效周期越来越大,结构的阻尼比也越来越大,等效单自由度体系的加速度开始不断增大,在结构出现卸载后才有所减小,但略有下降后又逐渐上升随着反应谱的不断折减,地震影响系数也不断减小,因为结构的地震需求变小。
  提高结构的设防烈度水准,即改变、的值来检验结构在大震下的变形能力,
  由于振型荷载的代表性,本文采用振型一荷载模式,得到对应的两结构在7、8、9度多遇和罕遇地震下的性能点和基底剪力、基底位移的大小如下表所示:
  表8办公楼各种设防烈度下结构的性能点、基底剪力和顶点位移
  地震影响 7度 8度 8度半 9度
   多遇 罕遇 多遇 罕遇 多遇 罕遇 多遇 罕遇
  
  0.030 0.125 0.059 0.156 0.088 0.179 0.105 0.187
  /mm
  6.574 36.051 13.138 67.737 19.62 98.103 24.939 120.7
  基底剪力 318.67 1294.7 634.03 1457.5 938.17 1578.4 1111.6 1679.5
  顶点位移 7.627 41.092 15.636 69.247 23.531 95.231 29.54 117.24
  在9度罕遇地震作用下,结构在性能点时的顶点位移为117.24mm,根据式(5)可知等效位移角为=<,即结构的总体层间塑性位移角并未超出规范要求。现将结构的推覆目标位移分别指定在9度和8度半罕遇地震下的性能点所对应的位移,以此位移对结构进行到指定位移下的Pushover分析,查看此时结构的层间位移角是否满足抗震规范的要求,分析得出8度半罕遇地震下最大层间位移角=<,9度罕遇地震下最大层间位移角为=>,说明该结构在9度罕遇地震作用下虽然总体等效位移角未超出规范要求,但此时结构在达到目标位移时首层已经出现了过大的层间位移,不符合规范要求。而在8度半罕遇地震作用下最大层间位移符合规范规定。初步判断此结构能抵抗8度半罕遇地震而不能抵御9度罕遇地震的作用。要确定结构是否能抵抗8度半罕遇地震,需查看此时性能点塑性铰发展情况。8度半罕遇地震下结构在性能点时出铰情况如下图所示:
  
  图98度半罕遇地震下性能点出铰情况
  从上图可以看出,8度半罕遇地震下结构在性能点时,塑性铰基本出现在柱端,一层柱铰位于IO-LS阶段,一层以上柱铰位于B-IO阶段,由此判定结构此时仍能承受荷载而未变成机构,足够抵抗8度半罕遇地震的作用。
  3结语
  本文根据能力谱法得出结构能抵抗8度半罕遇地震的结论,根据抗震条文说明,也就是能抵御10度烈度的地震作用,若再考虑填充墙和地基减震作用,初步估计是应该能抵御11度地震作用的。
  参考文献
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文章标题:汶川漩口中学办公楼抗震性能评估

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