福 建 建 筑

Fujian A rchitecture &Co nstr uction

N o11 2010V ol 149

基于性能设计方法在超限高层抗连续倒塌设计应用

杨玛莎

(厦门合道工程设计集团有限公司 361004)

摘 要:我国抗震设计规范提出 小震不坏、中震可修、大震不倒!的设防目标,其中, 中震可修、大震不倒!的第二、第三水准设防目标,主要是采用经验调整系数及构造加强措施来实现,缺乏定量的计算分析。本文应用基于性能抗震设计的方法,采用静力非线性有限元倒塌计算原理,分析框架结构在大震作用下的破坏机理,对结构 大震不倒!进行定量分析,确保结构实现抗倒塌的设计目标。并结合一个超限高层实例,验证倒塌计算结果与振动台实验结果的相符性。关键词:基于性能抗震设计方法 静力非线性有限元 超限高层 抗连续倒塌 大震不倒

中图分类号:T U 973+.23 文献标识码:A 文章编号:1004-6135(2010)11-0042-03

Application of performance based design method in over high rise building progressive collapse prevention

Yang M asha

(Xiamen H or do r A rchitecture &Eng ineer ing D esign Gr oup Co ,L td. 361004)

Abstract:T he thr ee level perfo rmance o bject ive is put for war d in national code fo r seismic desig n of buildings,that is,the criter i

o n o f no damage under fr equent ear thquake,repa irable damage under mo der at e ear thquake,no co llapse under sever e ear thquake,but the objectiv e is guaranteed mainly by t he empir ical adjustiv e co efficient and st reng thening of constr uctio n details T he second level and thir d level perfor mance o bject ives,that is,r epair able damage under mo der ate eart hquake and no co llapse under sever e ea rthquake,lack the quant itativ e analy sis T he analysis of str ucture under moderate eart hquake is ca rr ied out by the perfo rmance based seismic design method,and the mechanism o f st ructur e under sev ere earthquake is conducted by static nonlinea r ana lysis o f pr og ressive collapse,to guarantee no collapse under sev ere earthquake and the design o bjectivity of prog ressiv e collapse prev en t ion A calculation of a ov er hig h rise building is g iven Simulated r esult s ar e in go od agr eement w ith experiments

Keywords:Per for mance based seismic Design method Static nonlinear finite element Ov er hig h rise building Pr og ressive co l lapse prev ention No collapse under sev er e

earthquake

作者简介:杨玛莎,女,19年7月出生,工程硕士、一级注

册结构工程师、高级工程师、副总工程师。

收稿日期:2010-09-01

基金项目:厦门市科技计划项目(3502Z20074039)

0 引言

地震作用不同于人为事故。人为事故造成的房屋局部倒塌,除倒塌部分外其他部位仍处于弹性工作。在强震作用下,房屋的大部分构件可能进入非弹性。我国抗震设计规范提出 小震不坏、中震可修、大震不倒![1]的设防目标,采用了 三水准两阶段设计!的设计方法。第一阶段设计是结构构件承载力验算,采用结构在小震下按弹性反应谱理论得到的地震作用标准值和相应的地震作用效应,在可靠度分析基础上用分项系数表达式进行结构构件抗震承载力的验算,同时要求满足各种结构形式相对应的位移。可见我国现行的设计规范主要采用经验调整系数及构造加强措施来实现 中震可修、大震不倒!的第二、第三水准设防目标,还缺乏定量的计算分析。本

文拟应用基于性能抗震设计方法,采用静力非线性有限元倒塌分析程序SN A PC [3],分析框架结构大震作用下的破坏机理,判断结构是否会发生连续倒塌。

1 基于性能的设计方法[2]

基于性能的设计方法是根据结构方案超越抗震规范有关基本要求的情况,选用适宜的结构抗震性能目标,并分析论证结构设计与结构抗震性能目标的符合性。结构抗震性能目标分为A 、B 、C 、D 四个等级(详见表1),地震地面运动一般分为三个水准,即多遇地震(小震)、设防烈度地震(中震)及预估的罕遇地震(大震)。

表1 结构性能目标

性能目标

地震水准

A B C D 多遇地震

1111设防烈度地震1234预估的罕遇地震

2

3

4

5

选用性能目标时,需综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等

2 地震作用抗连续倒塌设计方法

地震作用的抗连续倒塌,属于水平方向的倒塌分析。本文应用基于性能抗震设计方法,采用静力非线性有限元倒塌分析程序计算,分析框架结构大震作用下的破坏机理,判断结构是否会发生连续倒塌。如果结构发生连续倒塌,根据不用的性能目标确定主要受力构件或薄弱部位,按照中震弹性或中震不屈服进行设计方案调整及加强设计,寻求合理的抗倒塌加强措施。详细步骤如下:

∀采用专业软件SA T W E或PM SA P进行常规设计。

#选取较不规则的或存在明显薄弱环节的框架的SA T W E或PM SAP计算结果,做为分析框架大震抗倒塌设计的初始模型,采用静力非线性有限元倒塌分析程序SN A PC程序进行大震作用倒塌机理分析。材料强度取标准值。

∃根据SN AP C计算结果判定框架初始模型是否满足小震不坏、中震可修、大震不倒!的设防目标。

%对不能满足设防目标的结构,采用基于性能抗震设计方法选用适宜的结构抗震性能目标,进行性能设计。例如针对框架具体的薄弱环节考虑框架整体中震弹性或框架柱中震弹性等不同的性能目标。对于提高性能的框架设计方案采用SAT WE或P M SA P进行计算,得出构件的配筋结果,导入SNA PC程序进行大震作用倒塌机理分析。

&重复步骤∃∋直至框架满足大震不倒!的目标。

(本文采用结构在某级荷载作用下的线刚度低于结构的初始弹性刚度的给定比例,当该比值很小时,认为结构为可动机构或倒塌,通常取为初始的刚度的1)。

3 算例分析

3 1 工程概况

某大厦是一座滨海甲级写字楼,地上23层,地下3层。底层层高17 20m,避难层8层及顶层层高11 70m,其余标准层层高均为3 9m,主体结构总高度约135m。建筑立面效果图详图3-1。建筑抗震设防类别为丙类,建筑结构安全等级为二级,所在地区的抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度0 15g,设计地震分组为第一组,场地类别为II类,特征周期T g=0 35sec。100年一遇的基本风压0 95kN/m2,地面粗糙度A类。

主楼高宽比为5 3。主体结构存在沿高度侧向刚度突变及竖向楼层承载力突变超过规范限值较多,主楼采用钢管柱框架∗混凝土核心筒混合结构体系,外框架采用钢管混凝土框架柱,框架梁采用劲性混凝土梁。工程采用模型振动台试验验证结构的抗震性能设计的可靠性,实验模型详图3-2。

常规计算分析方法采用基于性能的设计方法对结构薄弱

图3-1 建筑效果图

图3-2实验模型

层进行中震及大震阶段的性能分析。第1层及第8层薄弱层采用中震弹性,并保证大震不屈服位移可控的性能要求,相当于性能目标达到C级,构造上提高核心筒底部加强区的抗震等级,按特一级设计考虑,确保结构薄弱部位的设计可靠度。

3 2 主体抗连续倒塌设计

主体结构采用通用专业软件P M SAP软件进行小震计算,

结果同时包络1~8层按中震弹性计算的构件配筋结果。以此结果作为大震抗倒塌设计的初始模型,采用SN AP C 程序进行大震作用下的框架结构破坏机理分析。

计算结果体现,结构在水平地震荷载分级加载至最后加载增量数N =99结构倒塌,倒塌时能耐受相当于a ma x =0 765的地震作用,7度地震影响系数最大值a max =0 72,说明结构能满足大震不倒的要求。从图3-3顶点水平位移-荷载曲线图可见,结构在相当于水平地震影响系数最大值a max =0 12小震时,结构基本呈弹性;在相当于水平地震影响系数最大值a m ax =0 34中震时,结构基本呈弹性;在相当于水平地震影响系数最大值a max =0 72大震时,结构呈塑性但未倒塌。计算分析体现:结构抗震性能达到 小震不坏,中震可修,大震不倒!的设防

水准。

图3-3 顶点水平位移-荷载关系图

3 3 振动台实验

实验选择两条天然地震波T A FT 波和K OBE 波进行试验,天然波均有3个方向的记录;人工波选择2条不同的时程曲线分别用作X 、Y 向输入。试验模型经历了相当于7度小震到8度半大震的地震波输入过程,实验过程结构的动力响应简述如下:

∀输入加速度峰值相当于7度小震,整体结构振动幅度小,模型结构构件未见裂缝及损坏,整体完好。

#输入加速度峰值相当于7度中震,模型结构振动幅度有所增大,但整体结构动力响应不剧烈。结束后模型中部分框架梁跨中出现裂缝。但整体结构仍基本保持在弹性范围内。

∃输入加速度峰值相当于7度大震。试验过程中,模型结构振动幅度较中震增大,整体结构动力响应较大,结束后模型中大部分框架梁跨中及梁端出现裂缝。符合大震不倒的要求。

%输入加速度峰值相当于8度大震。整体结构动力响应剧烈并伴随有响声发出,结束后框架梁上裂缝继续增加,宽度增大。说明整体结构损伤更加严重。但整体结构仍保持直立。3 4 试验与计算结果对比分析

计算结果与实验结果对比分析如下:

图3-4 结构试验裂缝分布图 图3-5 塑性铰顺序图

∀框架在经历小震、中震、大震的屈服特征反应基本相符。#图3-4结构试验裂缝分布图与图3-5塑性铰顺序图可见,结构在大震作用时主要的塑性铰集中分布在底部1~10层薄弱部位,而且大部分塑性铰属于梁铰,计算结果与实验基本相符。

∃计算与实验的差异性:试验最大加载7度大震时整体结构发生了一定程度的损伤,但整体结构仍基本保持完好,但是

计算时结构塑性铰的发展要比试验结果更早些、更严重些。

4 总结

∀鉴于我国目前的抗震设计中震和大震是通过地震力的调整系数和各种抗震构造措施来保证的,重要建筑特别是超限高层建议采用非线性有限元倒塌分析软件进行中震及大震两个水准的计算分析,以核实这些构造加强措施是否能达到预期的设防要求。

#在地震作用的抗连续倒塌设计中引用基于性能的设计方法,使超限高层的抗震设计及抗倒塌设计能同时兼顾,提高了复杂超限高层的结构可靠度。

∃根据项目的振动台试验数据,验证了在中震及大震作用下程序分析的框架屈服机理与试验结果基本相符、倒塌破坏特征与试验结果也基本一致,但是计算结果较试验结果偏于保守,因此可适用于工程初步方案的设计指导。

参考文献

[1]GB50011-2001,建筑抗震设计规范[S].

[2]徐培福,戴国莹.建筑结构基于性能抗震设计的研究.土木工程学报,第38卷第1期(3).

[3]杨玛莎.框架连续倒塌非线性有限元实用分析法[J].福建建筑,2010,11.下载本文