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Push over分析法在高層建筑結(jié)構(gòu)分析中的應用論文
摘要：靜力彈塑性分析方法（Push-over法）作為結(jié)構(gòu)抗震評估分析的一種方法，近年來受到結(jié)構(gòu)工程師的普遍關(guān)注。文章以實際高層建筑結(jié)構(gòu)工程為背景，從臨界高度的判定，設(shè)計時主要考慮的因素，以及運用彈塑性分析方法Push-over法分析結(jié)構(gòu)的抗震情況等方面展開論述，提供一個設(shè)計思路和方法，可供設(shè)計時參考使用。
關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)；靜力彈塑性Push-over分析；結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計
1.工程概況
唐山鋼城水岸項目是一大型高檔住宅區(qū)，本工程位于唐山市路北區(qū)河東路東側(cè)，為唐鋼舊址遷用地，用地由A01和A04兩部分組成，為商業(yè)住宅。8號樓建筑面積15835.7m2，本工程地上為32層，建筑總高度92.8米，外輪框尺寸為43.6m×12.5m，標準層層高2.9米，頂層層高3.01米，室內(nèi)外高差0.6米；地下兩層，埋深約8.6米；結(jié)構(gòu)采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系。本工程建筑物安全等級二級，結(jié)構(gòu)重要系數(shù)1.0；主體結(jié)構(gòu)使用年限50年，設(shè)計基準期為50年。建筑抗震設(shè)防類別為丙類，地上各層均為一級抗震；地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。建筑防火分類等級為二類，建筑耐火等級為二級。地震基本烈度為8度，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計地震分組為第一組（設(shè)計地震加速度值為0.20g），場地特征周期為0.35s，場地類型為Ⅱ類，為建筑抗震不利地段，地下水位位于基礎(chǔ)以下10米。地震影響系數(shù)最大值采用0.08（多遇地震）。其結(jié)構(gòu)資料如下：
2.結(jié)構(gòu)高度的判定
由《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.3條規(guī)定可知：A級全部落地剪力墻結(jié)構(gòu)在8度（0.20g）下最大適用高度為100m，本工程高度為92.8m，屬于A級高度范圍。
3.高層結(jié)構(gòu)設(shè)計方案需要考慮的因素
3.1抗震設(shè)防烈度
對于超過100m以上的建筑物，在不同強度的抗震設(shè)防烈度下，對應于建筑物的高度要求也是不盡相同的。一般情況下，高層建筑適合建造在抗震設(shè)防烈度在6度及以下的地區(qū)，抗震設(shè)防烈度在8度的區(qū)域不適宜建設(shè)超高層建筑物。
3.2重力載荷
對于高層建筑，在設(shè)計時要考慮到重力載荷的傳力情況，實現(xiàn)合理的傳力途徑，因此在設(shè)計時對于重力載荷的途徑要盡可能地直接明了。
3.3風載荷
在高層建筑的結(jié)構(gòu)當中，隨著建筑物高度的不斷增加，風荷載對建筑物的影響要遠遠大于地震對建筑物的影響，特別是對于一些比較柔的高層建筑，風荷載是它結(jié)構(gòu)設(shè)計中的控制因素。對于重要結(jié)構(gòu)，規(guī)范要求需進行風洞試驗，以保證高層建筑在風荷載下的安全性。
4.對結(jié)構(gòu)進行罕遇地震下結(jié)構(gòu)的彈塑性分析
4.1罕遇地震下構(gòu)建的特點
在多遇地震下，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，可對結(jié)構(gòu)進行彈性階段的承載力計算和變形驗算。但在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件將進入彈塑性狀態(tài)，隨著地震作用的逐漸增加，結(jié)構(gòu)將逐漸在構(gòu)件的薄弱部位出現(xiàn)塑性鉸。隨著塑性鉸的增多，結(jié)構(gòu)的多余自由度隨之減少，結(jié)構(gòu)會逐漸變?yōu)闄C構(gòu)，在地震作用下發(fā)生傾覆。在罕遇地震的作用下，結(jié)構(gòu)并不像在彈性階段有精確的承載力計算和變形驗算，而只能通過提高結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施予以加強，并增加結(jié)構(gòu)的延性性能。
4.2罕遇地震下的分析方法Push-over法
Push-over分析法的基本假定如下：
�。�1）結(jié)構(gòu)的地震反應與其等效的單自由度系統(tǒng)相關(guān)，這就意味著可忽略結(jié)構(gòu)的高階陣型，只考慮結(jié)構(gòu)的第一陣型控制；
�。�2）結(jié)構(gòu)沿高度的變形由形狀向量表示，在整個地震作用的過程中，不考慮結(jié)構(gòu)屈服后陣型的改變以及結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，形狀向量始終保持為恒量；
（3）假設(shè)樓板在自身平面內(nèi)的剛度為無窮大，所以樓板在平面內(nèi)只有剛性位移一平動和轉(zhuǎn)動，沒有其它變化，而且樓板形狀也不會改變。
通過Push-over分析進行結(jié)構(gòu)抗震性能評估的基本思路如下：
�。�1）建立Push-over曲線；
�。�2）選擇用于評估的地震水準；
�。�3）選擇用于評估的性能水準；
�。�4）為各個性能水準確定容許準則；
（5）采用特定的方法進行結(jié)構(gòu)抗震能力評估。
本實例采用PM軟件中EPDA程序模塊對結(jié)構(gòu)模型做罕遇地震下的彈塑性靜力分析，對上述結(jié)構(gòu)進行整體性能彈塑性分析，對結(jié)構(gòu)局部存在的一些薄弱環(huán)節(jié)進行加強，從而更好地為設(shè)計提供指導，保證結(jié)構(gòu)的安全性。結(jié)構(gòu)在倒三角形下Push-over曲線圖如下：
由上圖可看出，該結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的分析結(jié)果為：能力普曲線上穿需求譜曲線，由此可以確定性能點，表示結(jié)構(gòu)的抗震性能達到了罕遇地震下的彈塑性變形要求，滿足結(jié)構(gòu)的抗倒塌驗算。
5.結(jié)語
根據(jù)結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：
本結(jié)構(gòu)方案滿足小震、中震下允許部分次要水平構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸，大震下允許部分連梁和框架梁出現(xiàn)較多塑性鉸但不倒塌，更不會危及使用者的生命安全，達到了對罕遇地震下結(jié)構(gòu)的彈塑性的設(shè)防目標；罕遇地震下的彈塑性時程分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的塑性層間位移角能夠滿足規(guī)范變形要求，結(jié)構(gòu)塑性變形發(fā)展情況符合了結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計目標。
有效地提高抗震效果剪力墻截面設(shè)計的重點在于：一方面要通過與連續(xù)梁組成延續(xù)性較強的結(jié)構(gòu)體系，保證樓板的剛度；另一方面提高結(jié)構(gòu)側(cè)面的強度，最大限度控制建筑物的水平位移范圍。
塑性鉸主要發(fā)生在連梁、部分框架梁局部位置，且主要分布于建筑物的中下部，這在一定程上與中震分析的結(jié)果是相吻合的，即中震分析時結(jié)構(gòu)界面利用率最大的部位在Push-over分析中將首先屈服，且隨著推覆的進展部分塑性鉸的發(fā)展也與中震結(jié)果中構(gòu)件界面利用率具有一定的相關(guān)性；結(jié)合罕遇地震下的彈塑性計算結(jié)果，對結(jié)構(gòu)薄弱部位采取適當構(gòu)造加強措施，對本高層結(jié)構(gòu)采用了比現(xiàn)行國家抗震規(guī)范更加嚴格有效的抗震計算和構(gòu)造技術(shù)措施，確保豎向構(gòu)件承載力和結(jié)構(gòu)的延性，保證結(jié)構(gòu)大震不倒有著重要作用。
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