摘要：對平立面均不規則的建筑結構，在進行《建筑抗震設計規范》（GB50011—2001）設計原則也作了相應的規定。雖然目前為止規范中沒有硬性規定，對于平面及立面均不規則的建筑必須設置抗震縫。但是合理的建筑布置在抗震設計中是頭等重要的，本文利用彈塑性時程分析可以更有效地找出平面不規則結構在罕遇地震作用下的薄弱層,特別是在地震波輸入方向不同的情況下,我們可以進一步了解此類結構塑性鉸的發展情況。
　　關鍵詞：平面部規則；抗震設計
　　
　　1結構平面不規則概述
　　1.1平面質量偏心
　　樓層各部分構件截面尺寸不同,必然產生質量偏心。即使是名義上的質量對稱結構,由于質量分布具有隨機性,以及施工質量和材料等各種條件的不確定性,可以認為結構一定存在質量偏心。假設自重是一個隨機變量,由概率分析可知,當僅考慮質量分布的不均勻性帶來的偶然偏心,可以認為0.05倍垂直于地震作用方向邊長作為偶然偏心距具有一定的保證率。
　　1.2平面剛度偏心
　　“名義剛度”是在設計計算采用的理想化模型中按照構件彈性模量與截面尺寸通過公式計算得到的剛度值,“實際剛度”是施工建造完成后的結構在確定荷載分布和約束條件下的荷載位移比值。由于建筑材料性質的不穩定性、構件尺寸控制的誤差、施工工藝和條件的限值、構件受荷歷程的差別、構件實際約束與理想化模型的差異等因素的存在,造成了結構實際剛度的不確定性。即使名義上均勻對稱的結構,實際上也存在一定程度的偏心,即抗側剛度的分布發生改變,同時抗扭剛度、扭側剛度比等也會隨之改變。
　　1.3平面強度偏心
　　結構的質量和剛度不對稱分布是比較直觀的偏心現象,而結構由于抗側力構件的強度不同而造成的強度偏心很容易被忽略。設計中不同的構件有不同的設計屈服強度,同時構件實際屈服時的強度并不容易被精確的確定,因此強度偏心與質量和剛度偏心一樣不可回避。混凝土、型鋼或鋼筋等結構材料的不確定性,實配鋼筋與計算鋼筋的差別,以及構造方面的要求造成實際屈服強度與設計強度不同,或由于設計上的需求,都會產生構件屈服強度的差異。結構因存在強度偏心,進入彈塑性狀態之后,構件屈服水平不同,屈服次序有先后,抵抗合力作用點將隨時變化,而引起彈塑性扭轉。
　　2.案例分析
　　2.1結構體系
　　某L形平面高層住宅(見圖1),短邊翼緣長度l=24m,翼緣厚度b=14,且結構的最大寬度Bmax=38m,結構的l/b=1.7,滿足規范規定的2.0,但l/Bmax=0.63,超出規范規定的0.35,屬于平面不規則結構。該結構采用現澆鋼筋混凝土框架—剪力墻結構,地下1層,地上18層,層高3.2m,現澆鋼筋混凝土樓面。抗震設防烈度為7度,Ⅱ類場地,設計地震分組為第一組。框架柱和剪力墻的混凝土強度等級均采用C40,剪力墻墻厚為300mm。本模型分析計算時將地下室作為嵌固層。同時,為了下文的表述現將結構分為如圖1所示的三部分。
　　
　　圖1結構平面布置圖
　　2.2結構模型和地震動
　　采用SAP2000三維空間有限元分析軟件對上述框架—剪力墻結構進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析。首先進行罕遇地震下的初步分析,觀察塑性鉸分布情況,發現剪力墻處均未出現塑性鉸,即剪力墻一直處于彈性工作階段。因此,為提高計算結構的精確性,同時考慮到在現行軟件中對剪力墻進行模擬的爭議,將剪力墻仍采用殼單元進行分析,而在梁、柱上仍然設置塑性鉸。
　　彈塑性時程分析采用了El-Centro波、神戶波和人工波],并根據抗規要求,將以上地震動的峰值調整至7度(0.10g),地區罕遇地震下的加速度峰值220cm/s2。
　　2.3抗震性能
　　表1顯示在罕遇地震作用下,時程波輸入方向不同導致結構兩主軸方向層間位移角最大響應值的變化情況。
　　表1各層最大層間位移角
　　
　　分析結果表明,神戶波和人工波引起的結構地震反應較大,El-Centro相對較小,結構X方向的位移響應略大于Y方向的位移響應;神戶波作用下結構X,Y方向層間位移角最大,分別為1/255和1/284,滿足規范1/100的限值要求,說明結構在7度罕遇地震(設計基本地震加速度為0.10g)下具有良好的彈塑性變形性能,不致因薄弱層彈塑性變形集中而倒塌。
　　2.4塑性鉸的發生及分布情況
　　結構的彈塑性變形驗算滿足規范要求后,我們要進一步觀察結構的塑性鉸發展及分布情況。為更加直觀的描述各方向輸入地震波時,結構塑性鉸的分布情況及發生順序,現將塑性鉸分類如下:1)短剪力墻連梁;2)長剪力墻連梁;3)短框架梁連梁;4)長框架梁連梁;5)與剪力墻相連的框架梁。按梁的布置方向分為:X方向和Y方向;將結構分為三大部分,即如圖1所示的①,②,③。塑性鉸的具體情況見表2。
　　表2塑性鉸發生順序及分布情況

　　注：②表示在②部分沿X方向的短剪力墻出現塑性鉸
　　
　　我們可以從幾個方面進行分析:從結構在罕遇地震作用下的塑性鉸發生的構件來看,塑性鉸首先出現在剪力墻間距較小的連梁端部,這些部位的彈塑性變形最大,其次出現在剪力墻間距略大的連梁端部,最后在與剪力墻相連的框架梁端部出現,部分框架梁在框架柱端也出現了塑性鉸,但剪力墻及框架柱等主要抗側力構件均未達到屈服點,滿足“強柱弱梁”的抗震設計原則;從在整個結構中產生的部位來看,塑性鉸首先是在結構拐角處,即②處產生,之后根據地震波輸入方向的不同發生在結構的①處或③處;根據輸入方向的不同,我們可以看出,沿非主軸方向輸入地震波時,結構中塑性鉸的產生及分布情況比沿主軸方向復雜得多。
　　3.結語
　　合理的建筑布置在抗震設計中是頭等重要的。地震地面運動作用下,建筑物的損傷破壞首先會出現在結構抗震系統的薄弱部位,薄弱部位的損傷破壞會進一步加劇結構抗震性能的退化,從而導致結構整體的倒塌。建筑物的薄弱部位主要來源于結構配置的缺陷或不規則,不規則結構在地震時易造成震害。本文利用彈塑性時程分析可以更有效地找出平面不規則結構在罕遇地震作用下的薄弱層,特別是在地震波輸入方向不同的情況下,我們可以進一步了解此類結構塑性鉸的發展情況。對平面不規則結構的抗震設計，對于結構師而言，就是要在滿足結構設計規范要求的前提下，盡量配合建筑師，建造出讓人們覺得耳目清新的建筑。同時，結構師在進行結構設計時，還要考慮結構造價等經濟方面的因素。使結構設計既滿足建筑需求，又使甲方滿意。
　　
　　參考文獻：
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