(沈阳建筑大学学报(自然科学版))不同时期建造的混凝土框架结构建筑物抗震能力评估

2010年3月第26卷第2期　

沈阳建筑大学学报(自然科学版)

Journal of Shenyang J ianzhu U niversity (N atural Science )　M ar .　2010

V ol.26,N o.2

收稿日期:2009-10-26

基金项目:十一五国家科技支撑计划项目(2006BA1006B01-5);住房和城乡建设部基金项目(2008-k3-7);沈阳

建筑大学省级重点实验室开放基金项目(JG -200911)

作者简介:张延年(1976—),男,副教授,博士后,主要从事防震减灾和结构检测与加固研究.

文章编号:1671-2021(2010)02-0261-07

不同时期建造的混凝土框架结构

建筑物抗震能力评估

张延年1

,邢　然1

,武　迪

2

(11沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳110168;21山东建固特种工程有限公司,山东济南250100)

摘　要:目的研究依据不同时期《建筑抗震设计规范》建造的混凝土框架结构建筑物抗震能力的差异.方法基于Pushover 分析方法,建立依据不同的《建筑抗震设计规范》建造混凝土框架

结构三维分析模型,采用S AP2000软件对结构进行分析,根据能力谱法,将Pushover 曲线转换为能力谱曲线,将规范中的设计反应谱转换得到弹塑性需求谱,通过能力谱和需求谱的叠加,求出结构的性能点,进而得到结构的顶点位移及塑性铰分布、层间位移角和楼层位移,从而得到框架结构的抗震能力.结果通过一个5层混凝土框架结构教学楼的抗震能力分析,分别得到依据我国1974年、1989年和2001年《建筑抗震设计规范》建造的建筑物能力谱曲线和达到性能点时的塑性铰发展过程.结论依据不同的《建筑抗震设计规范》建造的建筑物抗震能力差异明显,建议在抗震能力评估时,应给予充分考虑.

关键词:既有建筑;混凝土框架结构;抗震能力评估;静力弹塑性分析中图分类号:TU 435 文献标志码:A 地震灾害具有突发性和毁灭性,严重威胁着

人类生命、财产的安全[1]

.我国是世界上遭受地震灾害最严重的国家之一,近100年来因地震死亡的人数超过全球的一半,经济损失十分巨大[2]

.2008年5月12日在汶川发生M 810级地震,造成了重大的人员伤亡和经济损失.谢礼立院士指出汶川地震的最重要的教训是没有将土木工

程防灾放在预防工作之首[3]

.地震中建筑物的大量破坏与倒塌,是造成地震灾害的直接原因[4]

,经济损失和人员伤亡都取决于建筑物的震害情况,因此提高建筑物的抗震能力是减轻震害最有效的措施.

在我国,建筑结构抗震能力的评估方法主要分为两大类:确定性评估方法和非确定性评估方法.目前,确定性评估方法被广泛使用.确定性评

估方法大致可以归纳为以下几类[5-8]

:①经验评估法、②振动测量评估法、③规范校核法、④能量

法、⑤简化的弹塑性分析评估方法、⑥以地震影响

系数为指标的反应谱法.在国外主要有简化非线

性分析方法[9]

和以一个抗震指标作为抗震能力

评估的方法[10]

等.

由于建筑物新、旧时间间隔长,依据不同时期的《建筑抗震设计规范》建造的建筑物的抗震能力差异明显,大量建筑物抗震能力差,急需进行抗震能力评估与加固改造.笔者建立了依据不同时期《建筑抗震设计规范》建造建筑物的抗震能力评估模型,能够更真实地反映建筑物的动态抗震能力,并能对其在未来地震中的破坏程度进行预测,明确抗震薄弱环节,对减少地震灾害损失有一定的科学意义.

1　抗震能力评估模型建立

111　分析模型建立

采用SA P 2000软件中的Pushover 分析方法

262　沈阳建筑大学学报(自然科学版)第26卷

评估建筑物抗震能力,建立一个多自由度(m u lti 2p le degree 2of 2freedom system ,简称M DO F )体系的等效单自由度(single degree 2of 2freedom sys 2

tem ,简称SDO F )体系[11]

.结构在地面运动的动力微分方程为

M ¨x +C x +Q =-M I ¨x g ,

(1)

式中:M 、C 和Q 分别为M DO F 系统的质量、阻尼和恢复力矩阵;¨x 和 x 为结构加速度和速度列向量;¨x g 为地震动加速度;I 为单位向量.

假定结构相对位移向量x 可以由结构顶点位移x t 和形状向量Φ表示,即

x =Φx t .

(2)则方程式(1)为

M Φ¨x t +C Φ x t +Q =-M I ¨x g .

(3)

定义等效单自由度体系的参考位移x 3

为

x 3

=ΦT M ΦΦT M I

x t .

(4)用Φ前乘方程式(3),并用方程式(4)替换x t ,则将结构多自由度体系在地面运动下的动力微分方程转化为等效单自由度体系的动力微分方程为

M

3

¨x 3+C 3 x 3+Q

3

=-M 3

¨x g .

(5)

从等效单自由度体系的相关参数(M 3

、C 3

)

的表达式可以看出,它与原实际结构的联系是振型向量Φ.若将力-位移关系简化为双线性模型,

则如图1所示

.图中V 、Q 代表力,x i 、x 3

代表位移.

图1　M DO F 系统与等效SDO F 系统的力-位移关系

这样,等效单自由度体系的周期T eq 和刚度

K 3

计算如下:

T eq =2

πM

3

K

3,(6) x y =

ΦT M Φ

ΦT M I

x t,y ,(7)Q 3

y =ΦT

Q y ,(8)K

3=

Q 3

y x y

,

(9)

式中:x 3

y 为SDO F 体系的屈服位移;Q 3

y 为SDO F 体系的屈服强度;x t,y 为M DO F 体系屈服时所对应的顶点位移;Q y 为M DO F 体系屈服时所对应的基底剪力.这样,就把原结构的M DO F 体系转化为等效的SDO F 体系.112　侧向荷载分布形式进行静力弹塑性分析时,侧向加载模式的选择是能否准确对结构的抗震性能进行估计的关

键.一般认为对于10层以下的建筑[12]

,采用倒三角分布形式的Pushover 分析能得到比采用考虑高阶振型影响的Pushover 分析更精确的结果,因

此笔者选用倒三角形式的侧向荷载分布模式.113　Pushover 曲线生成11311　塑性铰的施加结构的三维模型建立完成以后,就要在结构的梁和柱的两端施加塑性铰.笔者选用sap 2000软件中默认的塑性铰属性.塑性铰只能在框架单元中引进,它们可被指定到框架单元的任意位置.塑性铰的本构关系模型如图2所示

,其中AB 、

BC 、CD 、D E 分别表示弹性段、强化段、卸载段和

破坏段.

图2　塑性铰的本构关系模型