1、20建筑科技2023 年 第 3 期建筑结构Building Structure大震作用下基于Midas的抗震实例分析Analysis of Midas-Based Seismic Resistant Example under Large Earthquake谢雯馨（桂林建筑规划设计集团有限公司,广西 桂林 541000）摘要：挑选广西南宁市某一超限工程实例,基于 Midas/Building 软件分析,并结合实际工作经验,对该工程进行模拟大震作用下的静力弹塑性损伤分析。通过分析该工程的自身特点并结合计算结果,提出加强措施建议,保证最终模型在罕遇地震作用下,各项设计控制指标符合规范,且达到相
2、应的抗震性能目标,为此类工程提供参考。关键词：Midas;超限高层;大震;静力弹塑性损伤;抗震性能设计中图分类号：TU375+.1 文献标识码：A 文章编号：2096-3815（2023）03-0020-031项目概况本文所分析工程为广西南宁市某高度超限的一般不规则建筑,拟建场地位于南宁市北湖路和明秀路交叉口,拟建场地属邕江级阶地。场地设计3层地下室,场地0.000高程为76.6 m,与现状地表标高基本一致,地下室底面按照0.000高程下挖13.5 m（高程约为63.0 m）考虑。本次分析单体建筑为51层,结构高度（室外地面算起）为149.4 m,超A未超B。1层层高4.8 m,2层层高5 m
3、,3层层高3.6 m,4层及以上（除16、32层外）为标准层,层高2.8 m,16及32层为建筑避难层,层高3.6 m。2栋住宅楼建筑地面以下均有3层全埋地下室,地下室总高度13.5 m。该建筑按功能分为：-3及-2层为车库层,-1层及上部1层、2层为商业层,3层局部为架空绿化层和住宅层,4层及以上除避难层外均为住宅层。根据GB 50011-2010建筑抗震设计规范,其抗震设防烈度为7度（0.10 g）,第一组,类场地,剪力墙抗震等级为一级。通过设立抗震缝与裙楼分离,标准层平面东西宽为23.2 m,南北宽为26 m。-1层侧向刚度不足首层侧向刚度的2倍,且主楼与裙楼地下室顶板室内外存在局部高差
4、,平面内楼板不连续,不利于有效传递地震剪力,故将上部结构的嵌固部位取为基础面。本工程采用现浇钢筋混凝土梁板体系,楼板采用主次梁方式。标准层板厚100 mm,标准层平面楼板板跨较大,其薄弱部位板厚设为120 mm;架空层、避难层楼板及屋顶板厚120 mm。地下室顶板板厚160 mm,满足上部计算要求及建筑消防、填土等要求。2原理和结构非线性分析2.1原理简介本工程采用的计算软件为Midas/Building,主要利用其中的Pushover模块。通过这一模块进行静力弹塑性分析,以评估此建筑主体结构在罕遇地震下的抗震性能。通过该模块的分析得到位移随荷载变化的能力谱曲线,然后根据结构耗能画出弹塑性需求
5、谱曲线。定位到线的交点即为该地震作用下结构发挥最大内力、位移的点。如果该交点处于某一目标性能范围内,那么说明这一设计满足相应性能目标。2.2结构非线性分析模型2.2.1材料本构（1）混凝土。采用GB 50010-2002混凝土结构设计规范附录C中单轴受压应力应变本构模型分析时,不计入混凝土材料的受拉特性,认为单元受拉时拉力全部由受拉侧钢筋承受。本结构在计算时采取的卸载和重新加载公式,参考了日本混凝土标准来完成混凝土单轴受压应力-应变关系曲线。（2）钢筋。本例采用的是螺纹钢,用双折线模型来模拟1。屈服前后的刚度取值不同。屈服后刚度应折减（折减21建筑科技2023 年 第 3 期建筑结构Build
6、ing Structure系数定义为0.01）。无论是否发生屈服,在卸载和重新加载时的刚度都是弹性的。由此得到钢筋的本构关系曲线。2.2.2剪切本构以剪力墙单元为研究对象采取剪切本构模型。水平钢筋对剪力墙剪切的贡献反映在剪切屈服应力的计算上,同时将剪切本构赋给剪力墙的混凝土纤维中。屈服前后刚度不同,本文利用弹性刚度来模拟屈服前的作用;屈服后卸载时由原点出发,重载时使用卸载刚度进行模拟。本报告使用剪力退化(三折线)模型。2.2.3单元模型（1）梁柱：对于梁柱单元该程序采用了具有非线性铰特性的单元进行模拟,并计入P-效应2。（2）墙：模块里的非线性墙构件是墙单元组合而成的,其中墙单元还可以分割纤维
7、。这种纤维中又包括n个不同的垂直方向和独立积分点3。结合墙单元产生裂缝后在各个方向的变形并不是完全正相关这一因素,采用该模块对非线性墙单元进行计算时,将不计入泊松比影响。在此基础上本文将各个方向的变形定义为相互独立的变量,其剪切应力采用的方法为计算单位高斯点位置的剪切形变。2.2.4加载模式本文采用的模块所使用的分析方法,是研究在一特定侧向静力加载模式时,结构随着荷载的逐步增加和塑性铰的出现结构刚度所呈现的趋势,由此得到结构内力变形的状况。软件共有4种横向荷载加载模式：按用户定义的静力荷载分布加载、按振型形状分布模式加载、按各楼层的质量分布比例加载及按反应谱分析的层剪力分布模式加载。软件假定增
8、量为力或者位移的矢量增量,从而得出整个加载中力和位移之间的关系曲线。本文选取层剪力分布加载模式,以位移增量为增量控制,并采用小震下的实配钢筋,对该楼分别进行了X向、Y向的静力弹塑性分析。为尽可能真实模拟出建筑物的受力,在未发生加载时,需要先得出结构的初始内力和变形。为得到这一初始值,本文仅计入自重和部分活荷载的作用。基于此,本次计算中,可以认为结构所承受的初始荷载为,恒载和活载的一半之和。2.2.5构件性能评价标准整体抗震性能的评估主要分为以下4个方面进行4：结构弹塑性层间位移角;基底剪力;塑性发展过程;塑性发展的区域。构件则主要从以下3个方面进行：构件塑性变形与塑性变形限制值的大小关系;关键
9、部位;关键构件塑性变形情况。由此使得在地震发生时,结构还有足够的能力承担竖向地震力和重力;在地震结束后,结构还可以承担加载在结构上的重量。通过这样来确定整体不会因为某一个构件发生了屈服,而出现严重的破坏现象,甚至发生倒塌的悲剧。（1）框架梁、柱性能评价。本次分析对于钢筋混凝土梁、柱杆系构件,采用FEMA屈服准则,分别有弹性、B（屈服）、IO（直接居住）、LS（生命安全）、CP（防止倒塌）、破坏几种状态。梁柱构件的屈服状态在后处理中以不同颜色的圆点来显示。（2）剪力墙性能评价。剪力墙混凝土应变等级,按延性系数（=/c）划分,共5个等级,第3等级为屈服状态。其中第1等级时,=0.5;第2等级时,=
10、0.8;第3等级时,=1.0;第4等级时,=1.5;第5等级时,=3.0。剪力墙钢筋应变等级,按延性系数（=/0）划分。共5个等级,第2等级为屈服状态。其中第1等级时,=0.7;第2等级时,=1.0;第3等级时,=2.0;第4等级时,=4.0;第5等级时,=8.0。剪力墙剪切向纤维应变,按延性系数（=/2）划分。共5个等级,第3等级为屈服状态。其中第1等级时,=0.6;第2等级时,=0.8;第3等级时,=1.0;第4等级时,=2.0;第5等级时,=4.0。3计算过程及分析基于以上理论,本例使用Midas对结构做大震下的塑性静力模拟分析。3.1安全评估安全评估通常从结构的整体性能、构件的变形性能
11、2方面进行考量。本例根据结构在性能点时的指标来描述结构的整体性能。经Midas模拟得到本例结构在罕遇地震作用下,最大弹塑性层间位移角和基底剪力,将X、Y两方向数据进行对比,如表1所示。表1最大弹塑性层间位移角、最大基底剪力加载方向最大弹塑性层间位移角最大基底剪力（多遇）/kN最大基底剪力（罕遇）/kN基底剪力比（罕遇/多遇地震）X1/2254 592.2321 9604.78Y1/2344 441.1118 4004.14经计算可知,X、Y向推覆下性能点分别发生在第30步和第27步,性能点时结构基底剪力达到小震CQC基底剪力的4.14.8倍,地震作用量级基本合理。分析最大弹塑性层间位移角,其中
12、X向推覆下为1/225,Y向推覆下为1/234,均满足JG3-2010高层建筑混凝土结构技术规程中不大于1/120的规定。由此,本例初步判定为,整体结构满足大震不倒这一基本性能目标。22建筑科技2023 年 第 3 期建筑结构Building Structure3.2塑性铰发展情况（1）剪力墙出铰情况。根据Midas计算得到如下结果：性能点时剪力墙混凝土纤维受压弹塑性状态;剪力墙剪切向弹塑性状态;钢筋纤维拉压弹塑性状态。本例中的结构在X、Y向静力弹塑性分析下,在性能点时剪力墙混凝土的应变等级及破坏状态分别如下表24所示,从表中可以看到,剪力墙混凝土均未出现屈服。X向推覆下约有0.3%的剪力墙钢
13、筋水平向应力达到357.8408.7 N/mm2,底部加强区个别墙肢应力最大值达到404 N/mm2,系由连梁发生破坏,导致与其相连墙肢局部发生应力集中所致,基本满足大震不屈服要求;底部加强区剪力墙钢筋竖向应力最大值不超过269.7 N/mm2,满足大震不屈服要求。Y向推覆下约有0.4%的剪力墙钢筋水平向应力达到359416 N/mm2,个别墙肢应力最大值达到416 N/mm2,系由连梁发生破坏,与其相连墙肢局部发生应力集中所致;同时底部加强区仅有约0.1%的剪力墙钢筋水平向应变超过0.002,故基本满足大震不屈服要求;底部加强区剪力墙钢筋竖向应力最大值不超过400 N/mm2,且钢筋竖向应变
14、最大值也均超过0.002,满足大震不屈服要求。表2剪力墙混凝土水平向应变等级加载方向应变名称应变等级12(弹性)23(屈服前)34(屈服后)45(屈服后)5(屈服后)X剪力墙混凝土水平向应变100%0000Y剪力墙混凝土水平向应变100%0000表3剪力墙混凝土竖向应变等级加载方向应变名称应变等级12(弹性)23(屈服前)34(屈服后)45(屈服后)5(屈服后)X剪力墙混凝土竖向应变99.7%0.3%000Y剪力墙混凝土竖向应变99.9%0.1%000表4剪力墙混凝土剪切应变等级加载方向应变名称应变等级12(弹性)23(屈服前)34(屈服后)45(屈服后)5(屈服后)X剪力墙混凝土剪切应变99
15、.9%0000Y剪力墙混凝土剪切应变100%0000（2）连梁出铰情况。从连梁混凝土剪切弹塑性状态结果可以得知,X推覆下约3.2%的连梁混凝土发生受剪屈服,约有4.7%的连梁钢筋发生屈服;Y向推覆下约有3.6%的连梁钢筋发生屈服;连梁的屈服在一定程度上耗散了地震能量。（3）框架出铰情况。根据框架梁、柱弹塑性结果可知,X向大震下约有78%的框架（梁、柱）处于弹性状态,而约有22%的框架（梁、柱）发生屈服或破坏,能较多的耗散能量,形成良好的耗能体系;Y向大震下约有68.3%的框架（梁、柱）处于弹性状态,而约有31.7%的框架（梁、柱）发生屈服或破坏,能较多的耗散能量,形成良好的耗能体系。4结语通过
16、以上静力弹塑性计算,结合结构整体反应指标和结构构件的性能分析结论如下。（1）本例中的结构布置合理,地震来临时,其主要抗侧力构件没有发生严重破坏,局部构件屈服但不会引起局部倒塌或危及结构的整体安全。由此认为本项目的结构具有良好的整体性,可满足大震不倒这一要求。（2）模拟大震作用后剪力墙混凝土的状态,发现其受压、受剪能力仍然处于弹性应力状态,而剪力墙钢筋的状态,其拉压能力也仍在弹性应力状态。由此认为本项目的结构能满足大震不屈服要求。（3）连梁及框架梁,在大震下有一小部分发生了屈服,即结构在此时具有比较好的好能体系,实现了多道防线。由此可以认为,本例中的结构在罕遇地震作用下,各项设计控制指标可满足抗震性能目标。参考文献：1 裴宗星.近场地震作用下框架：剪力墙结构抗震性能研究D.长沙：湖南大学,2011.2 刘翠清.地铁车站与上盖高层建筑一体化抗震性能研究J.防灾减灾工程学报,2022,42(3):490-498.3 彭益红.6度区剪力墙结构抗震性能星级评价J.科技风,2013(3):119-121.4 李文建.超限高层建筑工程抗震设计与实践D.广州：华南理工大学,2013.收稿日期：2023
