某多层限钢结构弹塑性分析

2023.08.29

李信桥

摘要：本文结合工程实例，对某钢结构建筑进行结构超限分析，该教学楼结构体系复杂，结构体系严重不规则，按照《建筑抗震设计规范》采用盈建科（YJK）进行静力弹塑性分析，保证结构设计安全可靠。

关键词：多层；钢结构；弹塑性；超限

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.103

1 工程概况

本工程位于上海市青浦区，规划面积内拟建一座中小学，本建筑为其中一座单体建筑，本建筑地上3层，局部二层，屋面为斜屋面，屋面最高点建筑高度为22.65米，地下局部一层，建筑首层功能主要为剧场、多功能厅、社区商业；二层为阅览室、书库；三层为阅览室，屋面为局部为非上人屋面，局部为上人种植屋面。根据《抗震设防分类标准》该建筑为乙类，应按提高一级采取抗震措施。

2 结构体系

该建筑上部为钢框架结构，局部大跨部位采用钢桁架结构，局部大跨屋盖采用网架结构，部分现浇混凝土屋面板和现浇混凝土楼板。

3 不规则项

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》建质【2015】67号、《上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则》沪建管【2014】954号以及现行《建筑抗震设计规范》，对本工程进行结构超限检查，主要存在以下不规则项：

（1）一般不规则项：①首层顶舞台与门厅处没有楼板连接，开洞面积为100%，楼板局部不连续。②最大悬挑部位悬挑长度约10m，大于4m，侧向刚度不规则。③剧场看台部位柱只到看台顶，部分柱到阅览室顶，未到屋顶，竖向抗侧力构件不连续。④本层和上层受剪承载力之比的最小值为0.71，为承载力突变。

（2）特别不规则项：地震力作用下最大水平位移比为1.45大于1.4，扭转偏大。

因为结构超限，对结构整体及关键部位采取相应加强措施，并用YJK软件进行静力弹塑性分析。

4 计算结果分析

（1）静力弹塑性分析结果（推覆分析）（规定水平力加载）。采用YJK静力弹塑性模块进行结构分析计算。

本工程在施加完成结构的竖向荷载（1.0恒+0.5活）后，分别对结构的 X 向和 Y 向，45°方向以及135°方向进行推覆分析，侧推荷载按规定水平力施加。需求谱地震影响系数最大值取 0.45，特征周期取1.1S，阻尼比取 0.05。

地震影响系数最大值：0.45；特征周期：1.1；结构阻尼比：0.05；水平荷载：规定水平力加载；是否考虑p-delta效应：考虑；竖向荷载：1.0恒+0.5活；收敛条件：容许不收敛，控制最大迭代次数20，误差5%；停止条件：层间位移角达到1/5。

①结构在135度负向推覆的层间位移角最大，以此为例，结构在能力谱和需求谱相交性能点的下的层间位移角为1/293，位于结构3层，小于1/50，表明结构具有抵御7度（0.10g）大震的能力，结构能够在7度（0.10g）大震作用下保证“大震不倒”。

②结构能力谱-需求谱曲线。135°正向推覆下的结构能力普-需求普曲线如下：

③结构损伤。以135°负向推覆下的结构塑性铰发展进行描述：

下图分别为中震性能点塑性铰分布图和大震性能点塑性铰分布图。可以看出，在中震下，结构构件大部分处于轻微损伤阶段，局部梁柱节点中等损伤。在大震性能点阶段，大部分柱端出现塑性铰，首层柱底均未出现塑性损伤。

计算结果表明：结构在7度（0.10g）小震作用下竖向构件无塑性铰出现，结构基本处于弹性阶段；中震作用下，结构首层以上部分梁柱相继出现塑性铰，塑性损伤程度轻微；从能力曲线看，结构在中震时整体结构基本处于弹性阶段；大震作用下，结构构件逐渐出现塑性铰，悬挑部位构件损伤程度较重，其他部位构件塑性程度较浅，底层柱基本没有大的损伤。从结构能力需求曲线可以看出，也就是说当作用到结构上的荷载到达大震性能控制点之后，其仍处于强化上升阶段，此时部分构件进入塑性之后并不会马上退出工作，结构仍然具有稳定的抗侧推能力。在大震所对应的结构性能控制点到曲线的下降点还有较远距离，如果继续增加荷载，结构不会马上倒塌，结构有一定的安全储备；根据罕遇地震下结构能力曲线和需求曲线相交的性能控制点，结构在最不利方向（135°）最大层间位移角为1/286，小于规范1/50的限值要求，表明结构具有抵御7度（0.10g）大震的能力，能够在7度（0.10g）大震作用下保证“大震不倒”。

（2）静力弹塑性分析结果（推覆分析）（倒三角加载）。地震影响系数最大值：0.45；特征周期：1.1；结构阻尼比：0.05；水平荷载：倒三角加载；是否考虑p-delta效应：考虑；竖向荷载：1.0恒+0.5活；收敛条件：容许不收敛，控制最大迭代次数20，误差5%；停止条件：层间位移角达到1/5。

计算结果：结构在135度负向推覆的层间位移角最大，以此为例，结构在能力谱和需求谱相交性能点的下的层间位移角为1/299，位于结构3层，小于1/50，表明结构具有抵御7度（0.10g）大震的能力，结构能够在7度（0.10g）大震作用下保证“大震不倒”；从结构能力曲线可以看出，在大震作用下结构具有一定的安全储备；从中震性能点塑性铰分布图和大震性能点塑性铰分布图中可以看出，在中震下，结构构件大部分处于轻微损伤阶段，局部梁柱节点中等损伤。在大震性能点阶段，大部分柱端出现塑性铰，首层柱底均未出现塑性损伤。

5 结论

（1）结構在7度（0.10g）小震作用下竖向构件无塑性铰出现，结构基本处于弹性阶段。

（2）中震作用下，结构首层以上部分梁柱相继出现塑性铰，塑性损伤程度轻微；从能力曲线看，结构在中震时整体结构基本处于弹性阶段。

（3）结构在规定水平力下的静力弹塑性分析结果与倒三角作用力下的静力弹塑性分析结果基本一致，说明静力弹塑性分析结果较为可靠。

参考文献：

[1]徐培富.复杂高层建筑结构设计[M].中国建筑工业出版社，2005.

[2]高立人，方鄂华，钱稼茹.高层建筑结构概念设计[M].中国计划出版社，2005.

[3]建筑抗震设计规范 GB 50011-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4]钢结构设计标准 GB 50017-2017[S].北京：中国建筑工业出版社，2018.