复杂体型高层结构的推覆分析方法和应用

收稿日期:2002-07-20;修回日期:2002-12-28 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50025821)

作者简介:朱杰江(1963-),男,副教授,博士,主要从事结构抗震及优化研究.

文章编号:1000-1301(2003)02-0026-11

复杂体型高层结构的推覆分析方法和应用

朱杰江1

,吕西林1

,容柏生

2

(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海2000922.广东省建筑设计研究院,广东广州510000)

摘要:本文对钢筋混凝土高层结构进行了推覆分析研究,并编制了相应的推覆分析计算机程序。为了满足复杂体型高层结构的需要,提出了多种类型的单元,包括梁柱单元、单片墙单元、三垂直杆墙元和筒体墙单元,与试验结果对比分析表明这些模型具有很好的精度,并且能够搜索到结构反应的全过程,甚至结构的软化阶段。最后对一栋具有复杂体型的高层结构实际工程进行了推覆分析研究,为结构设计提供了实用的参考依据。

关键词:推覆分析;高层结构;非线性;薄弱楼层中图分类号:P315.95

文献标识码:A

Push -over analysis method and its application to RC tall

building with complex structural type

ZHU Jie -jiang 1

,LU ##

X-i lin 1,RONG Ba -i sheng

2

(1.State Key Laboratory for Disas ter Reduction in Civil Engineering,T ongji Universi ty,S hanghai,200092

2.Buildi ng Design and Research Institute of Guangdong Province,Guangzhou,510000)

Abstract:In this paper,the study of push -over analysis and corresponding computer program for RC tall struc -tures is carried out.Several kinds of elements in the program are considered to meet the need of tall buildings

w ith complex structural type.These elements include beam -column element for beams and columns,single slice w all element and three vertical line element for w alls,tube -w all element for tubes.Calculation example for ver-i fying the models indicates that the result obtained by this method is identical w ith a wel-l know n test result and the program can search for the w hole process of structural response,induding the softening stage of the struc -ture.Applying this push -over analysis method,the analysis of actual tall building w ith com plex structural type are completed,and the result are put into practice for structural design of building.Key words:push -over analysis;tall structure;nonlinearity;earthquake level;w eak storey.

1 前言

二十世纪末,在美国和日本的地震工程界,广泛开展了对基于结构性能的地震工程的理论及实用性的研究和讨论

[3~6][10][11][13~18]

。基于结构性能的地震工程(包括与房屋设计和建造有关的所有工程任务),其目

的是使建筑结构在未来地震中具备预期的功能。在美国,有联邦紧急救援署(FEMA)和国家科学基金会

第23卷第2期2003年4月

地 震 工 程 与 工 程 振 动

EA RT HQU AK E EN GIN EERI NG A ND ENG IN EERIN G V IBRA T ION

V ol.23,No.2Apr.,2003

(NSF)资助下开展了一项为期6年的行动计划,对未来的抗震设计规范进行了多方面的基础性研究工作。目前国际上普遍采用的推覆(push-over)分析方法比较符合基于结构性能的抗震设计理念。推覆分析方法实际上是一种弹塑性静力分析方法。这种方法主要是针对弹塑性动力时程分析方法的一些缺点而提出来的。采用弹塑性动力时程法不可避免地会在地震动参数估计、材料的恢复力特性等方面引入不确定性,同时它耗时多、计算昂贵、结果数据量大,很难用于实用的目的。因此在现阶段非线性推覆分析被认为是切实可行的基于性能抗震设计的分析方法。我国2001年建筑抗震设计规范也已将此方法列入了规范条款。 对结构进行/推覆0分析计算的过程是:

(1)计算结构竖向荷载。竖向荷载由房屋自重和楼面使用荷载组成。它是一开始就作用在结构上的,并且在整个推覆过程中,竖向荷载的大小始终保持不变。

(2)施加水平荷载。按小震反应谱计算求得结构基底剪力,各层水平力沿结构高度的分布可采用倒三角形或振型分解反应谱法所得到的分布规律[9],这样可以求得小震下各层水平荷载。然后分级加载,一直推覆到结构破坏。

(3)判定结构的性能水准,包括结构整体性能和局部性能。

为了满足复杂体型高层建筑的抗震设计需要,本文作者开展了钢筋混凝土高层结构三维非线性推覆分析研究,并编制了三维推覆分析程序。本文通过一个结构试验模型来验证此程序的可靠性,并对广东南方电力调度通讯大楼进行了推覆分析研究,找出该结构的薄弱楼层,对该结构进行局部性能和整体性能的评价。

2 力学模型及计算方法

该程序能对混凝土结构、钢结构、钢-混凝土组合结构等进行非线性推覆分析(包括材料非线性和几何非线性)。由于高层建筑的特点,本程序设置了多种单元类型:(1)梁柱单元(不考虑剪切变形);(2)单片墙单元(在梁柱单元的基础上增加双线型剪切弹簧);(3)三垂直杆单元;(4)筒体墙单元(在单片墙或三垂直杆单元的基础上考虑墙墙交界处位移连续条件)。

程序采用了修正的New ton-Raphson 方法和柱面弧长法。当刚度参数(反映结构非线性开展的程度,弹性时该参数为1)小于某一个数值时采用弧长法,否则用New ton-Raphson 方法。这样既能减少计算时间,又能保证搜索到结构反应的全过程,甚至结构的下降段。

现代高层建筑有时体型相当复杂,楼板可能局部缺失或开有大洞口,这时就不宜采用楼盖刚度无穷大的假定。为此本程序考虑了楼盖弹性变形的影响,楼板采用带转角自由度的三节点三角形单元。

推覆分析所需的侧向荷载沿竖向的分布模式可以采用以下两种方式:(1)人为指定。(2)根据振型分解反应谱法计算。2.1 有限元模型2.1.1 梁柱单元

梁或柱可以离散为许多个梁柱单元,虽然单元与单元之间的梁或柱的截面尺寸可以不一致,但是同一个单元内部具有不变的截面形状。单元截面在所有荷载阶段符合平截面假定,并且不考虑剪切变形。文献[7]认为,当单元的长高比较大时,这样的假定具有足够的精度。

梁柱单元主要计算工作量在于单元的截面分析,也就是要计算出截面内力和应变之间的关系,即截面的刚度矩阵。对于比较规则的截面可采用条带法,但对于任意截面此法的计算工作量很大,本文提出的截面分析方法,采用高斯数值积分法对横截面积分,算出截面刚度矩阵,这种方法尤其适合不规则截面刚度系数的计算,由于截面高斯积分点数远远小于条带法中的条带数,因此它的计算工作量能大大减少,这对于一个结构的分析尤为重要。2.1.2 单片墙单元

本文采用的梁柱单元实际上是Bernoulli 梁模型,它仅考虑轴向和弯曲变形,单元横截面符合平截面假定。文献[7]认为,Bernoulli 梁模型能够用来模拟刚臂或墙的轴向和弯曲变形部分。为了真正模拟刚臂或墙的性能,应在梁柱单元中增加非线性剪切弹簧,从而形成刚臂、墙单元,如图1所示。2.1.3 三垂直杆单元

它将一个墙单元理想化为三个垂直、一个剪切和一个弯曲弹簧,如图2所示。三个垂直杆的顶端和底端

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2期 朱杰江,等:复杂体型高层结构的推覆分析方法和应用