基于大震弹塑性时程分析的结构抗震设计_娄宇

图 1 框架结构弹性弯矩图
图 2 考虑弹塑性下框架结构弯矩图
弹塑性与弹性分析方法下典型柱下端弯矩比较 表 1
柱号 Z1 Z2 Z3
弹性 / kN·m 179． 11 303． 40 178． 93
弹塑性 / kN·m 334． 99 486． 54 334． 63
误差 /% 87． 03 60． 36 87． 02
第一步，采用反 应 谱 法 进 行 结 构 在 小 震 下 强 度 设 计 和 变 形 验 算 ，当 满 足 规 范 要 求 时 进 入 下 一 步 ，当
图 3 现有结构抗震设计方法设计流程
第 41 卷 第 5 期
娄 宇，等． 基于大震弹塑性时程分析的结构抗震设计
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不满足时进行结构 方 案 调 整，调 整 内 容 同 一 般 规 则 建筑。
0 引言 我国现行的结构抗震设计方法是基于多遇地震
作用下的结构弹性 计 算，作 为 结 构 或 构 件 强 度 设 计 的 基 础 ，通 过 基 于 罕 遇 地 震 作 用 下 的 变 形 验 算 ，验 算 结构在“大震”作用下是否满足“大震不倒塌 ”；设计 中又通过一系列系数调整和相应的抗震构造措施， 使 结 构 实 现“强 节 点 弱 构 件”、“强 剪 弱 弯”、“强 柱 弱 梁”等延性破坏，并最终 实 现“小 震 不 坏、中 震 可 修、 大 震 不 倒 ”的 三 水 准 设 防 目 标［1］ 。
载 P ＞ 200kN 后，框架将进入弹塑性，框 架 梁 端 将 陆 续出现塑性铰。当 结 构 在 荷 载 P = 400kN 作 用 下， 对比下面两 种 情 况：1 ） 若 不 考 虑 结 构 进 入 塑 性，采 用弹性分析方法得到的结构弯矩分布如图 1（b） 所 示；2） 考虑 结 构 进 入 弹 塑 性 的 影 响，分 成 弹 性 和 弹 塑性两个阶段，如图 2（ a） 和 2（ b） 所示，结构弹塑性 下的最终弯矩分布如图 2（c） 所示。由此得到的两 种情况 下 典 型 柱 Z1 ～ Z3 的 截 面 弯 矩 差 异 见 表 1。 通过表 1 可以看出，两种计算结果差异非常大，给出 的柱下端弯矩最大增 幅 达 87% 。因 此，结 构 采 用 弹 性计算或弹塑性计算产生的偏差对结构的影响不容 忽视。
目前我国现行规范的结构抗震设计采用两阶段 设计方法。对于一 般 规 则 建 筑，仅 需 要 进 行 第 一 阶 段设计，设计流程如图 3（ a） 所示，具体步骤如下：
第 一 步 ，计 算 结 构 在 小 震 下 的 地 震 作 用 ，通 过 构 件承载力验算和结 构 弹 性 变 形 验 算，保 证 结 构 满 足 “小震不 坏 ”的 设 防 目 标。 当 计 算 结 果 不 满 足 规 范 要求时，需要进行 结 构 方 案 调 整，如 调 整 结 构 布 置、 构 件 截 面 尺 寸 、材 料 等 级 等 ，直 至 计 算 结 果 满 足 规 范 要求。
第二步，根据概 念 设 计 和 规 范 要 求 采 取 相 应 的 抗震构造措 施 来 保 证 结 构 满 足“大 震 不 倒 ”的 设 防 目标。
对 于 特 别 不 规 则 、复 杂 建 筑 结 构 ，除 进 行 第 一 阶 段设计外，规范要求 进 行 罕 遇 地 震 下 薄 弱 部 位 的 弹 塑性变形计算，通过 满 足 各 种 结 构 形 式 的 层 间 弹 塑 性位移 角 限 值，来 保 证 结 构“大 震 不 倒 ”的 设 防 目 标。对于此类建筑 的 结 构 设 计，一 般 设 计 流 程 如 图 3（ b） 所示，具体步骤为：
第 二 步 ，进 行 小 震 弹 性 时 程 分 析 ，根 据 弹 性 时 程 分析结果初步分析 结 构 的 薄 弱 部 位，并 进 行 相 应 的 设计调整。
第 三 步 ，对 结 构 进 行 中 、大 震 性 能 化 设 计 。 根 据 结构所处部位及重 要 性，设 定 中 震 和 大 震 下 构 件 的 抗 震 性 能 目 标 ，如 对 某 构 件 设 定 中 震 弹 性 、中 震 不 屈 服、大震弹性或大 震 不 屈 服 等。 采 用 弹 性 分 析 方 法 计算结构在中震和 大 震 下 的 构 件 承 载 力，据 此 判 断 是否满足设定的各阶段抗震性能目标。当不满足 时，对相应构件进 行 调 整，如 更 改 截 面 形 式、修 改 截 面尺寸、提高材料 等 级 等，调 整 之 后 重 新 进 行 中、大 震 强 度 计 算 ，直 至 满 足 要 求 。
第五步，根据规 范 要 求 和 性 能 化 设 计 需 求 采 取 相 应 的 抗 震 构 造 措 施 ，结 构 设 计 完 成 。
现有结构抗震设计方法存在以下不足： （1）根据前述结构考虑弹塑性和不的 结 构 内 力重分布可以使得 某 些 构 件 的 内 力 大 幅 增 加，在 中 震和大震作用下，即 使 考 虑 结 构 进 入 弹 塑 性 后 总 地 震力比相应弹性地 震 力 有 所 减 小，也 可 能 造 成 某 些 构件的内力大于中震或大震弹性计算结果。因此， 根据采用弹性分析方法得到的构件在中震或大震下 的 内 力 情 况 ，来 判 断 构 件 是 否 达 到 屈 服 是 不 准 确 的 。 （2） 设计 中 设 定 的 抗 震 性 能 目 标 和 采 取 的 加 强 措施，大多数是基于设计人员对该结构体系的认识和 以 往 相 关 的 设 计 经 验 ，而 这 些 认 识 和 经 验 一 定 程 度 是
另 一 方 面 ，真 实 地 震 对 结 构 产 生 的 作 用 是 动 态 、 随机和复杂的，采用 静 力 的 方 式 考 虑 地 震 作 用 具 有 一定的局限性。弹塑性时程分析方法是采用直接积 分的动力学计算方 法，可 以 较 准 确 地 模 拟 结 构 在 地 震作用下的动力响 应 全 过 程，可 以 较 真 实 地 反 映 结
第四步，采用大 震 弹 塑 性 分 析 方 法 验 算 结 构 在 大震下的弹塑性变 形，验 证 是 否 满 足 规 范 要 求 的 层 间位移角限值。其中大震弹塑性分析方法包括静力 弹塑性分析方法和弹塑性时程分析方法。若计算结 果 不 满 足 ，需 进 行 结 构 方 案 调 整 ，之 后 返 回 第 一 步 重 新 进 行 前 述 设 计 流 程 ，直 至 各 指 标 均 满 足 要 求 。
（1 China Electronics Engineering Design Institute，Beijing 100840，China； 2 Shenzhen A + E Design Co． ，Ltd． ，Shenzhen 518031，China）
Abstract：Structure seismic design based on elastic-plastic time-history analysis of severe earthquake was proposed from a large number of analyses of complex structures． Design process was introduced in detail，and the design method had been used in all kinds of complex structures． The detail analyses of application examples indicate that structure seismic design based on elastic-plastic time-history analysis of severe earthquake is an initiative design method to help designers to adjust structure arrangement or elements more purposefully，and it can optimize design to improve the security of structures more economically． So the structure seismic design method based on elastic-plastic time-history analysis of severe earthquake perfect the present seismic design method，which can be popularized in structure design． Keywords：severe earthquake； elastic-plastic time-history analysis； structure seismic design； complex structure； seismic performance
在对大量 复 杂 超 限 工 程 （ 如 空 中 华 西 村、北 京 银 泰 中 心 、东 海 商 务 中 心 、台 商 大 厦 、泉 州 万 达 广 场 、 海 南 大 厦 、招 商 银 行 深 圳 分 行 、中 惠 熙 元 广 场 、卓 越·
皇岗世纪中 心、深 圳 证 交 所 等 ） 进 行 大 震 弹 塑 性 时 程分析研究的基础 上，提 出 了 基 于 大 震 弹 塑 性 时 程 分析的结构抗震设 计 理 念，以 期 能 进 一 步 完 善 我 国 目前的两阶段抗震设计方法。 1 基于大震弹塑性时程分析的结构抗震设计 1． 1 现有结构抗震设计方法
但 是 ，由 于 在 偶 遇 地 震 和 罕 遇 地 震 作 用 下 ，结 构 往往已经进入弹塑 性 阶 段，伴 随 着 某 些 构 件 或 部 位 先后进入屈服状态，结 构 中 的 内 力 分 配 将 随 之 发 生 相 应 改 变 ，产 生 了 一 系 列 内 力 重 分 配 的 过 程 ，从 而 使 得我们根据弹性计算结果得到的构件内力预估和对 构件强弱关系的判 断 出 现 偏 差，当 偏 差 超 过 一 定 程 度时，原来所采取的 确 保 结 构 实 现 延 性 破 坏 的 手 段 和方法将难以奏效，并 将 直 接 影 响 结 构 的 破 坏 模 式 和导致结构设计的不安全性。例如：某一纯框架结 构，在荷载 P ≤200kN 时，框 架 处 于 弹 性 状 态； 当 荷