李勋峰
【摘 要】随着计算机性能的不断提高,采用有限元软件对结构抗震性能进行评估成为一种趋势.介绍了建筑结构抗震性能评估方法,指出采用静力弹塑性分析方法可对建筑结构破坏形式、塑性铰位置进行计算,并对结构的性能点进行分析.介绍了常用建筑结构抗震性能有限元软件及其主要原理,对采用有限元软件进行建筑结构抗震性能评估的相关研究进行了总结与分析.设计了第1～第3层层高5m、第4～第20层层高3m、共20层的典型型钢-混凝土结构,采用核心筒模式,应用ANSYS有限元分析软件得到了建筑位移,结果表明,该结构能够满足我国高层建筑规范"小震不坏、中震可修、大震不倒"的要求,为高层建筑结构设计提供了参考及有限元实践实例.
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2018(000)007
【总页数】4页(P31-34)
【关键词】抗震性能;有限元分析;型钢混凝土;框架-核心筒结构;高层建筑
【作 者】李勋峰
【作者单位】衢州学院,浙江 衢州 324000
【正文语种】中 文
【中图分类】TU973+.2
中国是世界人口大国，近些年伴随着城镇化水平的提高，城市中需要越来越多的高层建筑来容纳相应人口。高层建筑是提高城市人口容纳率的必然选择。根据我国高层建筑建筑规范规定，超过10层的建筑均被定义为高层建筑。相应的，高层建筑对于建筑抗震性能具有更高要求，对于建筑结构的抗震特性分析难度较大。尤其随着人们审美力及个性化的提升，不完全规则的建筑层出不穷，其抗震性能分析愈加棘手。地震作为一种突发性自然灾害，对人民生命财产和地区发展具有深远影响，随着人们对地震特性和建筑结构研究的深入，建筑结构设计理论得到了迅速发展。传统的结构抗震构件是基于承载力进行设计的，目标在于保证建筑在大震作用下不发生倒塌，然而以往地震灾害破坏情况表明，这种不考
虑建筑物附属结构、内部设备等的设计方法是不全面的，因此提出了基于性能的抗震设计与评估方法。有限元分析的出现，为抗震性能分析提供了一种有效途径，它通过将建筑结构分解为有限的细小单元，每个单元之间相互连接，并且结构满足一定的边界条件，在边界条件限制下，对于系统所受外力进行方程求解分析，从而获得对于真实建筑结构的模拟，并且有限元分析的效能随着划分单元数的增多其仿真性能越接近实际，在工程中被广泛应用。随着计算机性能的不断提高，采用有限元软件对结构抗震性能进行评估成为一种趋势，通过对复杂建筑结构进行建模、分析，得出在设定地震作用下结构的响应量值和变形，与结构容许值进行定量的比较，以评价结构的抗震性能水平。
1 抗震性能评估方法
早期的抗震性能评估采用经验评估法，基于大量地震灾害实例分析，得出评估原则。GB 50023—2009《建筑抗震鉴定标准》[1]中的二级鉴定法属于其中一种，这种方法相对简单，评价指标较少，主要针对结构的宏观构造进行鉴定，无法反映结构延性性能，因此需根据构件现场实测参数值，按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[2]中的计算方法，对实际结构的抗震性能做进一步验算。
随着现代抗震理论中基于性能设计思想的提出，使得弹性分析方法受到了越来越多的关注。静力弹塑性(Pushover)分析法主要对罕遇地震作用下结构弹塑性变形进行分析，通过施加沿高度方向分布的侧向力，对结构的侧向位移、塑性铰位置和破坏机制进行分析。典型的Pushover曲线如图1所示，各控制点反应了结构抵抗水平地震作用的能力。以规范中反应谱为基础，将加速度-周期曲线转换成谱加速度-谱位移曲线，即为结构的需求谱曲线，将需求谱曲线与通过Pushover曲线转换得到的能力谱曲线进行对比(见图2)，出结构的性能点，以对结构的延性、塑性铰等性能进行评估。
图1 Pushover典型曲线
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图2 能力谱与需求谱曲线
醇醚燃料2 有限元分析在抗震性能分析中的应用
目前，大部分有限元软件都能实现结构的静力分析、动力分析、弹性和弹塑性分析，如ABAQUS、ANASYS和ADINA等，以及一些专门针对结构工程分析的有限元软件，如PERFORM 3D、ETABS、SAP2000和MIDAS等。
钢管
章少华等[3]基于ETABS软件编制了定义塑性铰属性的可视化计算程序，能够较好地反映构件弯矩-曲率变化的全过程，对1个8层框架结构进行了静力弹塑性分析，并进行了抗震性能评估，结果表明，该框架结构塑性铰出现在梁端，在性能点处层间位移角满足规范要求限值，罕遇地震作用下能够满足大震不倒的目标。周威等[4]基于SAP2000有限元软件对多层砌体结构和多层框架结构抗震性能进行评估，评估采用4种不同的分析方法，并进行对比分析，结果表明，采用不同评估方法的多层建筑，分析结果较为接近；在罕遇地震作用下，多层建筑塑性铰位置符合结构本身破坏特征；利用Pushover分析法可确定结构的薄弱部位，以进行工程加固。王磊等利用ETABS有限元软件对旧工业改造建筑抗震性能进行评估，以西安建筑科技大学改造建筑为例，采用Pushover分析法对改造后的二层框架结构图书馆进行评估，结果表明，塑性铰主要位于梁端，但底层柱子部分出现塑性铰，需进行加固处理；对于规则的中低层建筑，Pushover分析法可准确得出地震作用下的破坏过程，但对于偏心或不规则建筑，分析结果与实际情况相差较大。
朱汉波等[5]应用PERFORM 3D有限元软件对多层框架-剪力墙结构的抗震经济性进行评估，利用FEMA P-58评估方法建立易损性函数，得到修复费用、修复时间和人员伤亡等指标的评估结果；通过增量动力分析(IDA)得出结构在不同损伤下的易损性曲线，可作为结构
加固方案的确定参数。苏宁粉等[6]借助ABAQUS有限元软件对超高超限框架-核心筒结构的动力弹塑性进行分析，对该复杂结构的弹塑性变形进行量化分析，结果表明，采用ABAQUS显示分析可较好地模拟结构在罕遇地震作用下的损伤；型钢混凝土框架核心筒结构体系具有较好的变形能力和耗能能力，能够实现大震不倒的抗震目标。舒林等[7]应用PEFORM 3D有限元软件对9层框架剪力墙结构抗震性能进行评估，采用ASCE41规定的评估方法，对罕遇地震作用下结构的变形指标进行量化，结果表明，框剪结构层间位移角较小，剪力墙构件在地震作用下的安全储备较大。
目前，使用最为广泛的有限元分析工具为ANSYS，并在建筑结构分析中取得了良好的应用效果。李碧雄等[8]基于ANASYS三维空间模型，对加固后的5层钢筋混凝土框架结构住宅楼的抗震性能进行分析，采用非线性动力时程分析法对不同加固方案进行对比，结果表明，结构抗震加固应考虑整体优化，避免局部简单修复，优先选择轻质材料，应充分认识加固后新的薄弱环节及最不利状态。江南大学邹昀等[9]设计了与上海环球金融大厦相同的缩比模型，并进行了多种地震强度下的仿真实验，与ANSYS有限元仿真结果进行比对，充分验证了有限元分析在迅速模拟抗震性能中的优越性。
3 有限元分析在型钢-混凝土结构中的应用
在中国建筑科学研究院对我国高层建筑的主要设计趋势的研究中，核心筒模式可提高高层建筑抗震能力[10]。本文设计了某型钢-混凝土高层建筑，含核心筒模式，共有20层，其中第1～第3层层高5 m，第4～第20层层高3 m。根据具体的结构特征构建了有限元分析模型，共有305 680个节点，35 761个单元(见图3)。
图3 某型钢-混凝土高层建筑有限元分析模型
该建筑结构的最大位移Dp计算式为：
(1)
式中，amd为建筑结构所受设计加速度峰值，代表预测地震强度峰值；ama为建筑结构所受实测加速度峰值，表示实际所受地震强度峰值；Dmi为建筑结构模型第i层最大位移；Sd为模型-实体转换经验指数。
通过有限元分析，得到了小震、中震和罕遇地震情况下，各层的水平方向位移情况(见图4)。从图4可以看出，5层以下，在各种地震情况下，该高层建筑都无显著的横向位移；10层以上，在罕遇地震下，该高层建筑发生了较为显著的横向位移，但是整体满足我国相关
规范中“小震不坏、中震可修、大震不倒”的要求。
图4 某型钢-混凝土高层建筑在各不同震度中位移分析结果
4 结语天水师院选课系统
建筑结构抗震性能评估是一个关系民生和社会发展的重大课题，随着建筑结构层高的不断增高，结构形式多样化发展，建筑结构设计难度逐渐增大，人们对建筑结构抗震性能要求不断提高，因此科学合理的结构抗震性能评估成为社会和学者关注的焦点问题。通过有限元分析方法可以最大限度地对结构弹塑性性能和抗震性能进行分析、评估和预测，通过了解建筑物在各种地震作用下的响应情况，可以识别其薄弱部位，为通过局部加强加固来提高建筑的抗震能力给出具体指导。本文有限元分析软件ANSYS，分析典型的第1～第3层层高5 m、第4～第20层层高3 m的共20层含核心筒结构的型钢-混凝土高层建筑结构，利用在3种不同地震强度下的层间位移发现，具有核心筒的高层建筑有助于帮助建筑实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的我国高规要求。基于有限元的建筑结构抗震性能分析可为高层建筑设计提供迅速有效的参考。
gdp平减指数参考文献
【相关文献】
孙惠芬[1] GB 50023—2009，建筑抗震鉴定标准[S].
[2] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].
[3] 章少华. 静力弹塑性法在既有建筑结构抗震性能评估中的应用研究[D]. 天津: 天津大学, 2007.
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