某超限框架结构厂房动力弹塑性分析及改进
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第 ３８ 卷 第 ２ 期 佳 木 斯 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) ２０２０ 年 ０３ 月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｍｕｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ( Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ)
文章编号:１００８ － １４０２(２０２０)０２ － ００２４ － ０５
图 ３ ＳＡＵＳＡＧＥ 构件损伤评价标准
２ 工程概况
图 ２ 钢筋单调加载应力 － 应变曲线
１. ２ 柱、梁、板弹塑性模型
文中框架结构主梁、柱和斜支撑均采用 Ｔｉｍｏ￣ ｓｈｅｎｋｏ 梁[６] 单元模型ꎬ次梁采用考虑剪切变形的 经典梁修正模型ꎬ两端铰接的梁、两端铰接的斜撑 采用杆单元ꎮ 楼板采用壳单元模拟ꎬ该模型基于平 板壳元模型ꎮ
１. ３ 阻 尼
ＳＡＵＳＡＧＥ 中阻尼参数项ꎬ可选择基于振型分 解的振型阻尼和 Ｒａｙｌｅｉｇｈ 阻尼ꎮ 本工程阻尼参数 基于能有效抑制结 构 高 阶 振 动[７] 的 振 型 分 解 阻 尼ꎮ 对于原钢筋混凝土框架结构( 改进前结构) 模 型阻尼比设置为 ５％ ꎬ 计算振型个数取为 ２４ 个ꎮ 对于改进后结构模型ꎬ由于增加了钢支撑ꎬ阻尼比 设置为 ４. ５％ [８] ꎬ计算振型个数仍取为 ２４ 个ꎮ
Ｖｏｌ. ３８ Ｎｏ. ２ Ｍａｒ. ２０２０
某超限框架结构厂房动力弹塑性分析及改进①
李其成１ꎬ 吴 珂２ꎬ 徐 彬１ꎬ 沈小璞２ꎬ∗
(１. 安徽省工业工程设计院ꎬ安徽 合肥 ２３０００１ꎻ２. 安徽建筑大学土木工程学院ꎬ安徽 合肥 ２３０６０１)
摘 要: 采用 ＳＡＵＳＡＧＥ 软件对某超限钢筋混凝土框架结构工业厂房进行罕遇地震下的动力 弹塑性分析ꎬ研究结构在罕遇地震作用下的层间位移、基底剪力、楼层剪力、倾覆力矩以及构件损 伤ꎮ 分析结果表明:该结构在罕遇地震作用下层间位移角超限ꎬ框架柱进入比较严重损坏状态ꎬ 不能满足“大震不倒”的抗震性能目标ꎮ 在有限元数值分析模型中ꎬ采取在工业厂房两端和错层 等薄弱部位增设钢支撑等措施对结构进行改进ꎬ并进行了罕遇地震作用下的动力弹塑性分析ꎮ 对比两次分析结果可以看出ꎬ改进后结构顶层最大位移减小 ４８. ５６％ ꎬ最大层间位移角减小 ２８. ９９％ ꎬ框架柱由比较严重损坏状态减轻至中度损坏状态ꎬ实现建筑物在大震作用下不至于倒塌的 目标ꎮ 关键词: 超限钢筋混凝土框架结构ꎻ罕遇地震ꎻ动力弹塑性分析ꎻ改进 中图分类号: ＴＵ９７３ 文献标识码: Ａ
１. ４ 结构抗震性能目标与水准
在 ＳＡＵＳＡＧＥ 软件中主要以混凝土受拉压损 伤因子及钢材的塑性应变程度作为评定标准[４] ꎮ 依据“ 高层建筑混凝土结构技术规程” ＪＧＪ３ ( 以下 简称“ 高规” ) 第 ３. １１ 条规定[９] ꎬ将构件的损坏程 度划分为无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、 比较严重损坏五个水准ꎬ具体划分标准见图 ３ꎮ
设计使用年限为 ５０ 年ꎬ生产类别为丙类ꎬ耐火 等级为二级ꎮ 抗震设防烈度为 ７ 度ꎬ设计基本地震 加速度为 ０. １０ｇꎬ设计地震分组为第二组ꎬ场地类 别为Ⅱ类ꎬ混凝土框架结构的抗震等级为三级ꎮ 改 进前结构布置见图 ４ꎬ结构层号、标高及层高见表 １ꎮ 数值模拟共建立了 ８ 层ꎬ其中将夹层也作为一 层加进了 ＳＡＵＳＡＧＥ 中分析ꎬ模型的嵌固端设置在 基础顶面ꎮ
图 １ 混凝土单轴应力 － 应变曲线
１. １. ２ 钢 筋
① 收稿日期:２０１９ － １２ － ３１ 作者简介:李其成(１９６３ － ) ꎬ男ꎬ安徽合肥人ꎬ高级工程师ꎬ研究方向:高层、大跨度空间结构ꎮ 通讯作者:沈小璞(１９５７ － ) ꎬ男ꎬ江苏启东人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ研究方向:结构抗震设计理论与工程应用ꎮ
文中使用 ＳＡＵＳＡＧＥ 软件ꎬ对某实际超限框架 结构工业厂房进行动力弹塑性分析ꎬ研究该结构在 大震作用下的相关抗震性能指标ꎬ并给出了改进建 议ꎮ
１ 理论基础
１. １ 材料本构关系 １. １. １ 混凝土
混凝土 材 料 采 用 “ 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 ” ＧＢ５００１０( 以下 简 称 “ 砼 规” ) 确 定 的 单 轴 本 构 模 型[５] ꎬ按附录 Ｃ 公式(Ｃ. ２. ４ － １) ~ ( Ｃ. ２. ４ － ５) 计 算ꎮ 此混凝土材料模型适用于梁、柱和支撑等构 件ꎬ混凝土拉压应力应变曲线见图 １(图中“ 受拉为 负ꎬ受压为正” ) ꎮ
第２ 期
李其成ꎬ等:某超限框架结构厂房动力弹塑性分析及改进
２５
钢筋采用双线性随动强化模型ꎬ适用于梁、柱 和支撑等构件ꎬ单调加载应力应变曲线按“ 砼规” 附录 Ｃ 公式 Ｃ. １. ２ － ２ 计算ꎮ 钢筋单调受拉应力 应变曲线见图 ２ꎮ
数上限ꎮ 根据建筑使用功能和结构布置特点ꎬ将项 目抗震性能目标定为 Ｄ 级ꎮ
其中梁柱 εｐ / εｙ 表示梁柱钢筋塑性应变与屈 服应变比值上限ꎬ梁柱 ｄｃ 表示梁柱混凝土受压损 伤系数上限ꎬ梁柱 ｄｔ 表示梁柱混凝土目位于安徽省合肥市ꎬ厂房地上 ６ 层ꎬ 第 ２ 层和第 ３ 层之间有一夹层ꎮ 房屋总高度为 ２１. ９５０ｍꎬ使用功能为生活垃圾预处理ꎬ结构类型 为钢 筋 混 凝 土 框 架 结 构ꎮ 建 筑 总 建 筑 面 积 ２２７５ｍ２ ꎬ建筑占地面积 １１８０ｍ２ ꎮ
０ 引 言
依据国家标准“ 建筑抗震设计规范” ＧＢ５００１１ (以下简称“抗规”) 第 ３. ６. ２ 条规定[１] ꎬ不规则且 具有明显薄弱部位可能导致重大地震破坏的建筑 结构ꎬ应进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析ꎬ 且可以根据结构特点采用静力弹塑性分析或弹塑 性时程分析方法ꎮ
国内外结构弹塑性动力时程分析软件较多ꎬ受 到 业 内 认 可 软 件 如 ＡＢＡＱＵＳꎬ ＰＥＲＦＯＲＭ － ３Ｄꎬ ＳＡＵＳＡＧＥꎬＭＩＤＡＳꎬＳＡＰ２０００ 等ꎬ都是功能强大的结 构分析软件[２] ꎮ ＳＡＵＳＡＧＥ 软件是“ ＣＰＵ ＋ ＧＰＵ” 双 模式计算的结构动力弹塑性分析软件[３] ꎬ与其他 弹塑性动力 时 程 分 析 软 件 相 比ꎬ 具 有 模 型 转 换 方 便、可直接采用 ＰＫＰＭ 软件系统的计算结果、计算 收敛性好等优点[４] ꎮ
文章编号:１００８ － １４０２(２０２０)０２ － ００２４ － ０５
图 ３ ＳＡＵＳＡＧＥ 构件损伤评价标准
２ 工程概况
图 ２ 钢筋单调加载应力 － 应变曲线
１. ２ 柱、梁、板弹塑性模型
文中框架结构主梁、柱和斜支撑均采用 Ｔｉｍｏ￣ ｓｈｅｎｋｏ 梁[６] 单元模型ꎬ次梁采用考虑剪切变形的 经典梁修正模型ꎬ两端铰接的梁、两端铰接的斜撑 采用杆单元ꎮ 楼板采用壳单元模拟ꎬ该模型基于平 板壳元模型ꎮ
１. ３ 阻 尼
ＳＡＵＳＡＧＥ 中阻尼参数项ꎬ可选择基于振型分 解的振型阻尼和 Ｒａｙｌｅｉｇｈ 阻尼ꎮ 本工程阻尼参数 基于能有效抑制结 构 高 阶 振 动[７] 的 振 型 分 解 阻 尼ꎮ 对于原钢筋混凝土框架结构( 改进前结构) 模 型阻尼比设置为 ５％ ꎬ 计算振型个数取为 ２４ 个ꎮ 对于改进后结构模型ꎬ由于增加了钢支撑ꎬ阻尼比 设置为 ４. ５％ [８] ꎬ计算振型个数仍取为 ２４ 个ꎮ
Ｖｏｌ. ３８ Ｎｏ. ２ Ｍａｒ. ２０２０
某超限框架结构厂房动力弹塑性分析及改进①
李其成１ꎬ 吴 珂２ꎬ 徐 彬１ꎬ 沈小璞２ꎬ∗
(１. 安徽省工业工程设计院ꎬ安徽 合肥 ２３０００１ꎻ２. 安徽建筑大学土木工程学院ꎬ安徽 合肥 ２３０６０１)
摘 要: 采用 ＳＡＵＳＡＧＥ 软件对某超限钢筋混凝土框架结构工业厂房进行罕遇地震下的动力 弹塑性分析ꎬ研究结构在罕遇地震作用下的层间位移、基底剪力、楼层剪力、倾覆力矩以及构件损 伤ꎮ 分析结果表明:该结构在罕遇地震作用下层间位移角超限ꎬ框架柱进入比较严重损坏状态ꎬ 不能满足“大震不倒”的抗震性能目标ꎮ 在有限元数值分析模型中ꎬ采取在工业厂房两端和错层 等薄弱部位增设钢支撑等措施对结构进行改进ꎬ并进行了罕遇地震作用下的动力弹塑性分析ꎮ 对比两次分析结果可以看出ꎬ改进后结构顶层最大位移减小 ４８. ５６％ ꎬ最大层间位移角减小 ２８. ９９％ ꎬ框架柱由比较严重损坏状态减轻至中度损坏状态ꎬ实现建筑物在大震作用下不至于倒塌的 目标ꎮ 关键词: 超限钢筋混凝土框架结构ꎻ罕遇地震ꎻ动力弹塑性分析ꎻ改进 中图分类号: ＴＵ９７３ 文献标识码: Ａ
１. ４ 结构抗震性能目标与水准
在 ＳＡＵＳＡＧＥ 软件中主要以混凝土受拉压损 伤因子及钢材的塑性应变程度作为评定标准[４] ꎮ 依据“ 高层建筑混凝土结构技术规程” ＪＧＪ３ ( 以下 简称“ 高规” ) 第 ３. １１ 条规定[９] ꎬ将构件的损坏程 度划分为无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、 比较严重损坏五个水准ꎬ具体划分标准见图 ３ꎮ
设计使用年限为 ５０ 年ꎬ生产类别为丙类ꎬ耐火 等级为二级ꎮ 抗震设防烈度为 ７ 度ꎬ设计基本地震 加速度为 ０. １０ｇꎬ设计地震分组为第二组ꎬ场地类 别为Ⅱ类ꎬ混凝土框架结构的抗震等级为三级ꎮ 改 进前结构布置见图 ４ꎬ结构层号、标高及层高见表 １ꎮ 数值模拟共建立了 ８ 层ꎬ其中将夹层也作为一 层加进了 ＳＡＵＳＡＧＥ 中分析ꎬ模型的嵌固端设置在 基础顶面ꎮ
图 １ 混凝土单轴应力 － 应变曲线
１. １. ２ 钢 筋
① 收稿日期:２０１９ － １２ － ３１ 作者简介:李其成(１９６３ － ) ꎬ男ꎬ安徽合肥人ꎬ高级工程师ꎬ研究方向:高层、大跨度空间结构ꎮ 通讯作者:沈小璞(１９５７ － ) ꎬ男ꎬ江苏启东人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ研究方向:结构抗震设计理论与工程应用ꎮ
文中使用 ＳＡＵＳＡＧＥ 软件ꎬ对某实际超限框架 结构工业厂房进行动力弹塑性分析ꎬ研究该结构在 大震作用下的相关抗震性能指标ꎬ并给出了改进建 议ꎮ
１ 理论基础
１. １ 材料本构关系 １. １. １ 混凝土
混凝土 材 料 采 用 “ 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 ” ＧＢ５００１０( 以下 简 称 “ 砼 规” ) 确 定 的 单 轴 本 构 模 型[５] ꎬ按附录 Ｃ 公式(Ｃ. ２. ４ － １) ~ ( Ｃ. ２. ４ － ５) 计 算ꎮ 此混凝土材料模型适用于梁、柱和支撑等构 件ꎬ混凝土拉压应力应变曲线见图 １(图中“ 受拉为 负ꎬ受压为正” ) ꎮ
第２ 期
李其成ꎬ等:某超限框架结构厂房动力弹塑性分析及改进
２５
钢筋采用双线性随动强化模型ꎬ适用于梁、柱 和支撑等构件ꎬ单调加载应力应变曲线按“ 砼规” 附录 Ｃ 公式 Ｃ. １. ２ － ２ 计算ꎮ 钢筋单调受拉应力 应变曲线见图 ２ꎮ
数上限ꎮ 根据建筑使用功能和结构布置特点ꎬ将项 目抗震性能目标定为 Ｄ 级ꎮ
其中梁柱 εｐ / εｙ 表示梁柱钢筋塑性应变与屈 服应变比值上限ꎬ梁柱 ｄｃ 表示梁柱混凝土受压损 伤系数上限ꎬ梁柱 ｄｔ 表示梁柱混凝土目位于安徽省合肥市ꎬ厂房地上 ６ 层ꎬ 第 ２ 层和第 ３ 层之间有一夹层ꎮ 房屋总高度为 ２１. ９５０ｍꎬ使用功能为生活垃圾预处理ꎬ结构类型 为钢 筋 混 凝 土 框 架 结 构ꎮ 建 筑 总 建 筑 面 积 ２２７５ｍ２ ꎬ建筑占地面积 １１８０ｍ２ ꎮ
０ 引 言
依据国家标准“ 建筑抗震设计规范” ＧＢ５００１１ (以下简称“抗规”) 第 ３. ６. ２ 条规定[１] ꎬ不规则且 具有明显薄弱部位可能导致重大地震破坏的建筑 结构ꎬ应进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析ꎬ 且可以根据结构特点采用静力弹塑性分析或弹塑 性时程分析方法ꎮ
国内外结构弹塑性动力时程分析软件较多ꎬ受 到 业 内 认 可 软 件 如 ＡＢＡＱＵＳꎬ ＰＥＲＦＯＲＭ － ３Ｄꎬ ＳＡＵＳＡＧＥꎬＭＩＤＡＳꎬＳＡＰ２０００ 等ꎬ都是功能强大的结 构分析软件[２] ꎮ ＳＡＵＳＡＧＥ 软件是“ ＣＰＵ ＋ ＧＰＵ” 双 模式计算的结构动力弹塑性分析软件[３] ꎬ与其他 弹塑性动力 时 程 分 析 软 件 相 比ꎬ 具 有 模 型 转 换 方 便、可直接采用 ＰＫＰＭ 软件系统的计算结果、计算 收敛性好等优点[４] ꎮ