“某高层教工宿舍楼的基于性能抗震分析”

很早之前便有申请公众号的想法，不仅想通过日常结构笔记来分享知识，更希望能利用这个平台与大家探讨在日常学习与探索中遇到的难题。

经过一段时间的思索，我打算以本科毕业设计中关于基于性能抗震设计的章节作为首次分享的内容。

该高层框架结构的效果图（图片来源：古静欣）

本次性能分析的对象为深圳某10层框架结构教工宿舍楼。分析时采用基于性能的抗震设计方法，利用ETABS和PERFORM-3D进行承载力与变形验算，从而验证不同水准下结构与构件的抗震性能。

验算包括：小震弹性设计，中震弹性及不屈服构件验算，以及罕遇地震与极罕地震下的弹塑性分析。

结构典型层结构平面图

  性能目标和地震波的选取

根据《高规》13.11.1条规定的四个性能目标和3.11.2条规定的5个抗震性能水准，本工程确定抗震性能目标为C级。分析中采用自编程序进行地震波频谱分析，挑选了7条符合规范要求的地震波，其中包含5条天然波和2条人工波。7条地震波的平均地震动响应系数曲线与振型分解法所采用的地震响应系数曲线在统计意义上相符。

规范谱与地震波频谱特性对比

  多遇地震下的结构响应

通过YJK弹性时程分析来对结构进行多遇地震下的性能验算。结构在7条地震波下的基底剪力满足《高规》4.3.5的要求；结构的层间位移角满足《高规》3.7.3的位移限值要求。

结构基底剪力和层间

  设防地震下的结构响应

设防地震下的结构性能分析通过PERFORM3D和ETABS进行，其中利用ETABS进行楼板内力分析；利用PERFORM3D进行构件变形验算及抗剪承载力验算。

根据PERFORM3D的分析结果可知，设防地震下结构基本处于弹性阶段，仅有小部分框架梁发生屈服，所有框架柱均处于抗弯不屈服状态。对于抗剪承载力，所有构件满足抗剪不屈服的要求。

根据ETABS的内力分析结果可知，在各向地震工况下，楼板的水平拉应力和剪应力均小于楼板混凝土的设计值，说明此时楼板满足承载力的要求。

  罕遇地震下的结构响应

罕遇地震通过PERFORM3D进行弹塑性时程分析。核心区混凝土采用Mander约束混凝土本构，钢筋采用双斜线本构。梁柱单元均采用应力元纤维单元。

在典型地震波的作用下，结构最大层间位移角为1/136，满足《高规》1/50的限值要求。在地震波输入中，阻尼耗能占65%，单元塑性耗能占30%。

在典型地震波作用下，框架柱损伤比框架梁更为严重。其中大部分框架梁均处于完好的性能状态，1-7层部分框架梁发生轻微损坏；底层部分框架梁发生轻中等破坏，变截面楼层也有部分框架柱发生轻微损坏。

对结构底部损伤较为严重的框架柱进行7条地震波下的变形复核。由复核结果可知，首层损伤较为严重的框架柱均能在罕遇地震中满足性能水准的要求。

根据承载力的验算结果可知，7条地震波下的框架柱均满足抗剪不屈服的性能要求，且抗剪承载力有大量的富余；框架梁的抗剪富余度较小，其中部分小跨高比框架梁在GM1地震波下已存在剪切破坏的风险，宜适当加强。

  极罕遇地震下的结构响应

由于结构在罕遇地震下仍有较高的安全储备，因此从结构的安全性出发，通过PERFORM3D对结构进行典型地震波下的极罕遇地震弹塑性性能分析。

结构的最大层间位移角为1/88，满足《高规》限值要求。从结构能量耗散分布中可以发现，结构在极罕遇地震下，阻尼耗能占50%，单元塑性耗能占45%，表明结构塑性进一步发展。

框架柱的损伤比框架梁更为严重。1-6层部分框架梁进入轻中等破坏；1-4层有少部分框架梁发生中等破坏；底层所有框架柱发生中等破坏；变截面楼层也有小部分框架柱发生中等破坏。

根据承载力验算结果可知，框架柱均满足抗剪不屈服的性能要求，而小跨高比的框架梁已无法满足抗剪能力的需求，应对其配箍进行适当加强。

  总     结

• 根据规范设计的7度设防的二级抗震框架结构可满足性能目标C的要求，在对小跨高比框架梁的配箍进行适当加强后，结构可在极罕遇地震下保证生命安全。
  

• 小跨高比框架梁的配箍宜适当加强。分析中发现，小跨高比框架梁在罕遇地震下的抗剪能力富余较低，且存在抗剪破坏的风险，因此在设计时宜对小跨高比框架梁的配箍进行适当加强。

• 强柱弱梁难以实现。分析中发现，当结构进入明显非线性变形之后，柱单元的损伤情况往往比梁单元更为严重，表明结构在塑形变形中强柱弱梁难以实现。

从大二开始接触基于性能的抗震设计，此次性能分析算是对本科学习的一次关键性总结。衷心感谢崔济东博士在我本科生涯中的悉心指导，特别是在毕业设计的分析阶段中无私的给予我众多帮助，让我能在结构分析中少走弯路。