基于MIDAS/GEN高层剪力墙结构push-over分析

　　【摘要】基于性能抗震设计的基本思想是使被设计的建筑物在使用期间满足各种预定功能或性能目标要求。本文采用MIDAS/GEN对一栋31层剪力墙结构进行静力弹塑性分析，结果表明，该方法从层间位移角、塑性铰分布等方面对结构进行量化评价，并揭示出结构在罕遇地震作用下的薄弱环节，实现了基于性能的抗震设计。
　　【关键词】MIDAS，剪力墙，push-over，静力弹塑性，基于性能抗震设计
　　
　　
　　基于性能的抗震设计PBSD（performancebasedseismicdesign）思想是20世纪90年代初由美国学者提出，它是使设计出的结构在未来的地震灾害下能够维持所要求的性能水平。我国一些学者也对PBSD进行了定义：基于性能的结构抗震设计是指根据建筑物的重要性和用途确定其性能目标，根据不同的性能目标提出不同的抗震设防标准，使设计的建筑在未来地震中具备预期的功能。本文采用MIDAS/GEN对一栋31层剪力墙结构进行静力弹塑性分析和抗震性能评价，从层间位移角、塑性铰分布及变形等方面对结构进行了综合的量化评价，揭示出结构在罕遇地震作用下的薄弱环节，实现了基于性能的抗震设计。
　　1静力弹塑性分析方法
　　静力弹塑性分析（PUSH-OVERANALYSIS，以下简称POA）方法也称为推覆法，它基于美国的FEMA-273抗震评估方法和ATC-40报告[1]，是一种介于弹性分析和动力弹塑性分析之间的方法，其理论核心是“目标位移法”和“承载力谱法”。其计算过程如下[6]:
　　(1)准备结构数据。包括建立结构模型，构件的物理常数和恢复力模型等；
　　(2)计算结构在竖向荷载作用下的内力(将其与水平力作用下的内力叠加，作为某一级水平力作用下构件的内力，以判断构件是否开裂或屈服)；
　　(3)在结构每一层的质心处，施加沿高度分布的某种水平荷载。施加水平力的大小按以下原则确定：水平力产生的内力与2步所计算的内力叠加后，使一个或一批构件开裂或屈服；
　　(4)对于开裂或屈服的构件，对其刚度进行修改后，再施加一级荷载，使得又一个或一批构件开裂或屈服；
　　(5)不断重复3，4步，直至结构顶点位移足够大或塑性铰足够多，或达到预定的破坏极限状态；
　　(6)绘制底部剪力¬¬¬¬¬¬—顶部位移关系曲线，即推覆分析曲线。
　　2工程基本概况
　　(1)基本计算参数。本工程为一栋31层剪力墙结构，总高98.30m，存在平面凹凸不规则、竖向构件不连续（二层为转换层）、考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2、楼板有效宽度小于50%等不规则项，属于一般不规则超限高层建筑。场地抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值0.05g,设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类。在本工程中，小震时采用安评反应谱计算的地震反应比规范反应谱大，因此本工程设计及计算小震时采用安评反应谱，设计及计算中震、大震时采用规范反应谱。
　　(2)计算模型。三维有限元模型，如图1所示。
　　
　　图1三维有限元模型图
　　(3)小震弹性分析结构比较，见表1所示。
　　表1小震弹性分析结果比较
　　计算软件 SATWE MIDAS
　　总重量/T 44849 44523
　　周期
　　/s T1 2.7830 2.7252
　　 T2 2.4388 2.5178
　　 T3 2.1092 2.1828
　　扭转比 0.7579 0.8009
　　风荷载 最大层间位移角 1/1075（X）
　　1/1455（Y） 1/1158（X）
　　1/1387（Y）
　　地震作用 最大层间位移角 1/1602（X）
　　1/2071（Y） 1/1682（X）
　　1/1872（Y）
　　 扭转位移比（有偶然偏心） 1.32（X）
　　1.31（Y） 1.35（X）
　　1.34（Y）
　　(4)小震弹性时程分析结构比较，见表2所示。
　　表2小震弹性时程分析结构比较
　　时程波形 平均值 规范反
　　应谱法 平均值
　　/反应
　　谱法
　　X方向最大
　　层间位移角 1/2252 1/1602 0.711
　　Y方向最大
　　层间位移角 1/2678 1/2071 0.773
　　X方向底部
　　剪力(kN) 5257 5780 0.910
　　Y方向底部
　　剪力(kN) 5394 5744 0.939
　　振型分解反应谱法计算的结构底部剪力大于弹性时程分析法计算的平均值，说明采用振型分解反应谱法计算能满足规范要求[2]。
　　(5)罕遇地震作用下抗震性能目标。根据本工程的超限情况，以及与业主的沟通结果，选定本工程的抗震性能目标为《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中所提的C~D级[3]。各构件的性能目标如下：框支框架（框支柱、框支梁）不屈服；底部加强区剪力墙抗剪不屈服，抗弯允许部分屈服；普通竖向构件：框架柱，底部加强区以上剪力墙允许局部进入塑性，控制变形；耗能构件：连梁及普通框架梁允许进入塑性[5]
　　3罕遇地震作用下静力弹塑性分析
　　本工程静力弹塑性分析采用通用有限元软件MIDAS/GEN进行，并采用FEMA—273和ATC—40所建议的方法评价结构是否达到所设定的目标。推覆荷载分别按X向和Y向的第一模态形式及层剪力分布形式加载，初始荷载为1.0恒载+0.5活载。并按照ATC—40所建议的方法对各阶段结果进行评价。不同性能水准下塑性铰位移限值，如图2所示[4]。
　　图2不同性能水准下塑性铰位移限值
　　各阶段性能点对应的含义：A点：未加载状态；B点：出现塑性铰；IO=直接居住极限状态(ImmediateOccupancy)；LS=安全极限状态(LifeSafety)；CP=坍塌防止极限状态(CollapsePrevention)；C点：开始倒塌点。从推覆分析的结果来看，结构达到性能点时，按层剪力分布形式加载分析得到的底部剪力大于按第一模态形式加载的结果，结构出现塑性铰的数量及出铰的情况均好于按第一模态形式加载的结果。
　　(1) push-over分析曲线，如图3所示。
　　图3push-over分析曲线
　　(2) 推覆分析不同加载模式下底部剪力、层间位移角比较，见表3示。
　　表3不同加载模式下底部剪力、层间位移角比较
　　加载模式 模态
　　加载 层剪力
　　加载
　　X
　　
　　向 底部剪力(kN) 13040 14200
　　 层间位移角最大值 1/357 1/455
　　Y
　　
　　向 底部剪力(kN) 11890 13830
　　 层间位移角最大值 1/290 1/567
　　层间位移角最大值均小于规范规定的弹塑性层间位移角限值1/120[2]。
　　(2)模态加载下转换层底部剪力和性能点层间位移角比较，见表4所示。
　　表4模态加载下转换层底部剪力和性能点层间位移角比较
　　地震作
　　用阶段 内容 X向 Y向
　　大震推
　　覆分析
　　（MIDAS）
　　 转换层底部剪
　　力(kN) 12900 11750
　　 层间位移角最大值 1/357 1/290
　　转换层底部剪力比值 大震推覆/小震规范谱 4.96 4.39
　　 大震推覆/小震安评谱 2.83 2.54
　　(3)罕遇地震作用下层间位移角曲线。如图4所示。
　　
　　图4罕遇地震作用下层间位移角曲线
　　最大层间位移角出现在第13层，为1/290，小于规范规定的弹塑性层间位移角限值1/120[2]。
　　(4)罕遇地震作用下塑性铰状态分布，如图5所示。
　　
　　图5罕遇地震作用下塑性铰状态分布
　　从图5可以看出，在性能点时墙肢已出现部分塑性铰，除标准层少量梁铰进入CD阶段（开始破坏），其他均处于B~IO阶段和以下阶段（基本弹性状态）。经放大观察，出现CD阶段铰的部位主要是塔楼标准层连梁，局部标准层连梁破坏，底部加强区落地剪力墙及框支框架未出现塑性铰。由此可见，结构整体进入塑性的程度较浅，结构构件均满足事先设定的性能水准5目标。结构的塑性铰出现的顺序是梁,然后才是柱和剪力墙,充分体现了“强柱弱梁”的特性,说明该结构具有很好的延性。
　　4结论
　　本文应用大型空间有限元程序MIDAS/GEN对一栋31层剪力墙结构进行静力弹塑性分析和抗震性能评价，结果表明：push-over分析方法不仅能对结构在多遇地震作用下的响应进行较为准确的分析，而且可以对结构在罕遇地震下可能会出现的薄弱部位及破坏情况进行具体的量化估计，是实现基于性能抗震设计的有效方法。
　　参考文献
　　2]建筑抗震设计规范(GB50011-2010)[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.
　　[3]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)[S].b北京：中国建筑工业出版社,2010.
　　[4]北京MIDAS技术有限公司，MIDAS非线性分析说明书[M]，2009.
　　[5]谭农超，廖小雄.满京华喜悦里华庭（二期）抗震审查报告[M],10~23,29~54,2011.08.
　　[6]侯高峰,王建国,张茂,基于MIDAS/GEN高层建筑结构静力弹塑性分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2008.10

《基于MIDAS/GEN高层剪力墙结构push-over分析》

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