建筑结构抗震安全评估及应用研究

５８　低温建筑技术　２００８年第６期（总第１２６期）　建筑结构抗震安全评估及应用研究　张力，杨均，张凯　（西北工业大学，西安７１００７２）　

【摘要】基于国内外现行的结构抗震安全评估体系，使用静力推覆１％ｓｈｏｖｅｒ分析方法对三例结构形式各异　的建筑物进行了弹性及弹塑性抗震性能评估分析。针对目前该方法尚处于探索阶段的一些问题进行了探讨，其　结果可供该领域的进一步研究及工程实际参考。　【关键词】　基于性能的；抗震安全评估；Ｐｕｓｈｏｖｅｒ法；性能点位移改进；振型选取　【中图分类号】３７０３５２　【文献标识码】Ａ　【文章编号】１００１—６８６４（２０ｏ８）ｏ６—００５８—０３　

Ｃ　ＥｖＡＩ，ＩＩＡⅡｏＮⅧｍＩｏ】）ＦｏＲ　ＲＣ咖Ｓ１１ＲＩ明　瓜Ｅｓ　ＺＨＡＮＧ　Ｌｉ，　ＹＡＮＧ　Ｊｕｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｋａｉ　（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｌｌ　７　１００７２，　Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｅｍｐｌｏｙｅｄ　ｔｈｅ　Ｐｕｓｈｏｖｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｅｖａｌｕａｔｅ　ｔｈｅ　ｅｌａｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｅｌｏｐｌａｓｔｉｃ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．　Ｓｏｍｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｔｈａｔ　ａｒｅ　ｓｔｉｌｌ　ｉｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ｓｔａｇｅ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ａ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｆｕｔｕｒｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ—ｂａｓｅｄ；ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ；Ｐｕｓｈｏｖｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｅｒｆｏｒｍａｂｌｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ；ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｏｄｅ　

０引言　静力推覆Ｐｕｓｈｏｖｅｒ方法是基于性能的评估现有结构和　设计新结构的一种方法，近年来受到了越来越广泛的关注。　国内外的学者纷纷展开这方面的研究，一些国家的抗震规范　也逐渐接受了这一分析方法并将其纳入其中。　目前常规的静力推覆Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析法尚存在一些缺陷，　需要作进一步的研究，主要有以下几点：①Ｐｕｓｈｏｖｅｒ方法将多　自由度体系结构（Ⅷ）０Ｆ）简化等效为单自由度体系（ＳＤＯＦ），　意味着结构响应仅由结构的第一振型控制，而实际结构相对　位移向量是由所有振型共同决定的，且各阶振型随结构刚度　的改变而改变；②Ｐｕｓｈｏｖｅｒ方法的几种水平加载模式都存在　与实际地震作用不完全相符的缺陷；③将该方法如何准确地　应用于三维结构分析还需要进一步的研究；④该法采用集中　塑性铰模型来描述构件屈服后的非弹性变形，无法考虑构件　的开裂以及构件开裂和屈服区域的分布长度的影响。　１算例模型建立与分析　为说明不规则结构考虑扭转效应及高振型对分析结果　造成的影响，下面以三个工程实例分别加以阐述，分别为规　则结构、偏心结构、不规则结构，如图１所示。设防烈度为７　度，Ⅲ类场地，设计地震分组为第二组，场地特征周期为　０．５５ｓ，设计使用年限为５０年，重要性系数取１．０。全部为钢　筋混凝土结构，混凝土材料为（３Ｏ，纵向抗弯钢筋采用　ＨＰｄ３３３５级，箍筋采用ＨＰＢ２３５级。　实例１：某四层钢筋混凝土框架结构，Ｘ轴方向为３跨，　轴间距８ｍ；Ｙ轴方向为３跨，轴间距为６ｍ。底层层高４．２ｍ，　其它层高３ｍ。边柱截面为４５０ｒａｍ×４５０ｍｍ，其余柱截面为　５００ｒａｍ　Ｘ　５００ｍｍ；梁截面为４５０ｒａｍ　Ｘ　３００ｍｍ；楼板厚１５０ｒａｍ。　

（ｃ）四层不规则结构　（ｄ）不规则结构准平面　图１分析模型　实例２：某七层刚度偏心钢筋混凝土框架结构（偏心结　构），ｘ轴方向为５跨，轴间距３．６ｍ；Ｙ轴方向为２跨．①一②　轴间距为５．４ｍ，②一③轴间距为６ｍ。底层层高４．２ｍ，其它　层高３ｍ。板厚为１５０ｍｍ，柱面尺寸：柱截面为５５０ｍｍ　Ｘ　５５０ｒａｍ，框架梁尺寸为５００ｒｎｍ×３００ｍｍ。　实例３：某四层不规则钢筋混凝土框架结构（不规则结　构），Ｘ轴方向为６跨，轴问距６ｍ；Ｙ轴方向为７跨，轴间距为　６ｍ，各层层高３ｍ，轴视图及标准平面图如图１所示。边柱截　面为４５０ｒａｍ　ｘ　４５０ｒａｍ，其余柱截面为５００ｍｍ×５００ｍｍ，楼板厚　

一～　张力等：建筑结构抗震安全评估反应用研究　１５０ｍｍ，梁截面为５００ｎｌｎ×２５０ｒａｍ。　１．１　动力时程法对结构响应进行分析　对此结构进行弹性和弹塑性动力时程分析。选取适合　Ⅲ类场地的地震波：ＰＥＬ－ＨＯＬＬＹＷＯＯＤ　ＳＴＯＲＡＧＥ波、ＥＭＣ－　ＦＡＩＲＶＩＥＷ　ＡＶＥ波及ＬＷＤ－ＤＥＬ　ＡＭＯ　ＢＬＶＤ波，其中弹性时程　工况Ｈ／ＳＴＩ、Ｉ－Ｉ／５３＂２、Ｈ／５７３，弹塑性时程工况ＨＩＳＦ４、Ｈ／ＳＴ５、　Ｉ－Ｉ／Ｓ１Ｂ。计算得到三例结构在三条地震波作用下的弹性及弹　塑性分析结果，包括最大层间位移角和平均位移，限于文章　篇幅，本文仅列出弹塑性结果，如表１、表２、表３所示。　表１　四层规则结构体系时程分析　表２　七层偏心结构体系时程分析　ＨＩＳＴ４　ＨＩｓｒ５　ＨＩＳＴ６　平均位移　表３　四层不规则结构体系时程分析　根据表１可知：①三例结构在弹性及弹塑性阶段层间位　移率均小于规范限值，说明结构在７度多遇及罕遇地震作用　下是安全的。结构最大层问位移率位于第二层，结构薄弱层　为底层及二层；②在偏心及不规则结构分析数据中可看到，　结构从上到下，ｘ向层间位移与Ｙ向的相对比值在逐渐增　大，底部ｘ向位移大于Ｙ向位移。这种情况的发生可能是　由于结构发生平动与扭转耦联的原因。　１．２基于性能的Ｐｕｓｈｏｖｅｒ方法的结构抗震性能安全评估　进行静力非线性Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析时，首先确定侧向力的分　布形式，所定义的侧向荷载分布形式应尽可能反映出地震作　用下各结构层惯性力的分布特征。为保证计算结果的有效　５９　性，本文采用两种不同的侧向荷载分布方式分别进行Ｐｕｓｈ．　ｏｖｅｒ分析：①均匀加速度分布（对应ＰＵＳＨ２），用均一的加速　度和相应质量分布的乘积获得；②振型荷载分布（对应　ＰＵＳＨ３）。Ｘ方向顶点位移监测：ＰＵＳＨ２：ＤＥＡＤ工况＋）（向加　速度工况；ＰＵＳＨ３：ＤＥＡＤ工况＋振型分布。Ｙ方向顶点位移　监测：ＰＵＳＨ４：ＤＥＡＤ工况十Ｙ向加速度工况；ＰＵＳＨ５：ＤＥＡＤ工　况＋振型分布。　首先，以ＰＵＳＨ２、ＰＵＳＨ４为例，分别算出规则、偏心及不　规则结构的基底剪力一顶点位移，图２为规则、偏心结构Ｙ　向的结构基底剪力一顶点位移曲线。　

Ｚ　２．５０　２　２．００　１．５０　嗣｛１．ｏ０　世０．５　擗８　０　Ｌ　—卅一　ｌ　ｉ　ｌ　ｌ　ｒ　ｌ　ｌ　ｌ　Ｉ　ｉ　Ｉ　ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　｛　ｊ　Ｉ：　ｊ】　ｉ　Ｉ　Ｉ　ｊ　Ｉ｝　１　１　２０　６０　１００１４０１８０　顶点位移／ｒａｎ　Ｚ　１．２ｏ　２　０．９６　

０．７２　容０．４８　０．２４　摊　０　

ｆ　ｆ　Ｉ　一Ｉ　Ｍ｝一　，　ｉ　Ｉ　【Ｉ　

；　Ｉ｛ｌＩ　Ｉ　Ｉ　

－｝　一＿＿　——　一Ｈ一｝一　Ｉ　ｆ　ｊ　Ｉ　ｌ　ｌ　

３０　９０　１５０　２１０２７０　顶点位移／ｍｎ　

图２基底剪力一顶点位移曲线图　

图２模拟了结构在侧向总剪力作用下由线性变形进人　非线性变形．经过失稳点直至倒塌的结构变形损坏全过程。　三个结构的能力谱分析结果以及与弹塑性动力时程分　析所得结果的差异。如表４所示。　

表４　分析所得结果的差异　

根据选取的三例结构分析结果可看出，不同的侧向荷载　分布模式分析所得结果相差较大。对于中、低层规则结构，　基于第一振型的侧向力分布模式在其主要方向上分析所得　结果是可信的，而对于偏心及不规则结构，由于扭转效应和　高振型的影响，基于基本振型的侧向力分布模式分析所得结　果与实际相差较大，需要对Ｐｕｓｈｏｖｅｒ方法进行相应的改进。　２对Ｐｕｓｈｏｖｅｒ方法进行改进　２．１有效振型的选取与性能点位移的改进　不论是侧向力加载模式还是性能点位移的确定，都与振　型的合理选取密切相关。目前的研究工作中大多是采用全　部振型，或者只采用前三阶振型，前者导致计算量的增大，后　者则没有很好地解决扭转振型以及高阶振型的影响。下面　的改进工作将基于这一情况，只选取对结构影响比较大的振　型进行组合计算。　在结构变形最大时刻，结构动能为零，变形能最大，结构　变形能可用各振型所做功组合而得，如式（１）所示。　６０　低温建筑技术　２０Ｏ８年第６期（总第１２６期）　Ⅱ＝　１，ＴＤ＝吉∑　ｍ　占∑　／　＝专∑（　脚，　）　ｍｉ　（１）　由此，可以得出，对于不规则建筑结构的空间计算，应该　以振型对结构的影响即式∑（ｑ　所　吁）　ｍ。的大小为依　据选取合理的振型。　在此提出用下式来考虑结构的扭转效应，修正后的性能　点位移可按下列公式确定：　

ｕ隧　＝　ｊ＝ｌ　ｋ＝ｌ　（２）　

其中，　＝　群　、　分别为　、ｋ振型的阻尼比，一般设定为爵＝　＝　０．０５；　为　振型与ｋ振型的耦联系数；　为ｋ振型与，振型　的自振周期比。　通常认为，若体系自振周期满足下式：　

＜　巍　，　（３）　体系自振频率相隔较远，此时，可取　＝０（ｊ≠ｋ）。　２。２　将改进后的结果与动力时程分析结果相比较　将改进的Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法所得的结果与动力时程分　析所得结果进行比较，规则结构不用考虑扭转振型，其基于　第一振型的分析结果与实际已基本吻合，所以仅比较偏心结　构与不规则结构两例工程实例的　、ｌ，向的分析结果。　七层偏心结构ｙ向为控制方向，下面给出结构ｌ，向的分　析数据。根据２式中的∑（　ｇ　／　）　ｍｉ可判断，对结构Ｙ　向位移影响较大的振型为１、３、４，５阶振型，分别求得基于各　阶振型的侧向力分布模式下的性能点位移：ｕ。：４９ｒａｍ；ｕ　

＝９．７３４ｍｍ；ｕ４＝２．８￣ｍｍ；／Ｚ５＝２．８３８ｍｍ，将所得位移进行　耦合修正：　厂　■—　———一　，＝√∑∑　

＝￣／Ｈ　＋　；＋“ｉ＋ｕ；＋２ｐｌ３　ｕ１　３＋２ｐ４５　４　５　＝５２．Ｏ００３ｍｍ　（４）　与该结构的弹塑性动力时程分析法所得结果　＝　５６．６ｍｍ比较，误差△＝　一　＝４．５９７ｍｍ，ｅ＝△／　＝　８．１２％，与上节中的分析结果比较可知，准确率得到了提高。　改进前后的层问位移曲线图如图３所示。　

喽　黏　

层间位移／ｒａｍ　图３改进前后的层间位移曲线　

实例３：四层不规则结构。此结构　向为控制方向，为简　便起见，下面只给出结构Ｘ向的分析数据。　与上边的方法相同，算得位移影响较大的振型分别为　２．３、５阶振型，分别求得基于各阶振型的侧向力分布模式下　的性能点位移，ｕ２＝２３ｒａｍ；　＝１６ｒａｍ；　＝１．１４ｍｍ；将所得　位移进行耦合修正：　＝３７．３５５６ｍｍ。该结构弹塑性动力时　程分析法分析所得结果　＝３４．６ｍｍ比较得△＝　２．７５５６ｍｍ，ｅ＝Ａ／　＝７．３８％，比较接近工程实际，提高了　其准确率。改进前后的层间位移曲线图如图４所示。