摘要：本文以某高層鋼框架結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行基于pushover方法的抗震設(shè)計分析，對比結(jié)構(gòu)在不同工況下的目標(biāo)位移和層間位移角，以說明基于pushover方法的結(jié)構(gòu)抗震分析的可靠性和實(shí)用性。

關(guān)鍵字：高層 鋼框架結(jié)構(gòu) pushover方法 抗震分析

中圖分類號：TU973 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（b）-0000-00

1、概述

高層鋼框架結(jié)構(gòu)是一種新型的結(jié)構(gòu)形式，鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、強(qiáng)度高、承受動力荷載的能力好、韌性和塑性好等優(yōu)點(diǎn)，尤其是鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)良好的延性特點(diǎn)能夠使其在變形很大的情況下而不倒塌。因此，鋼結(jié)構(gòu)是一種良好的結(jié)構(gòu)抗震材料。目前，我國的高層鋼框架結(jié)構(gòu)還正處于廣泛應(yīng)用的階段，研究高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能很有意義。本文就是對某高層鋼框架結(jié)構(gòu)基于pushover方法的抗震分析。

2、pushover方法

2.1 基本原理和假定

Pushover分析方法是和反應(yīng)譜相互結(jié)合的靜力彈塑性分析的方法，是按照一定的加載方式，給結(jié)構(gòu)施加一個單調(diào)遞增的水平向荷載，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個給定的目標(biāo)位移，以此來分析判斷結(jié)構(gòu)的變形和受力是否滿足設(shè)計和使用要求。其基本原理是把結(jié)構(gòu)簡化成為一個等效的單自由度的結(jié)構(gòu)體系，計算和分析結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用時的最大位移，把它當(dāng)做是目標(biāo)位移。

建立結(jié)構(gòu)的二維或三維模型，把地震作用等效為水平荷載，施加在計算模型上，對荷載以增量的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性靜力分析，直至結(jié)構(gòu)的位移達(dá)到目標(biāo)位移值為止。在計算分析的過程中要及時找出結(jié)構(gòu)的塑性鉸，修改總的剛度矩陣。根據(jù)結(jié)構(gòu)變形和位移達(dá)到目標(biāo)位移值時的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力，可以判斷和評估結(jié)構(gòu)的抗震能力。

Pushover分析方法的假定是：一、計算結(jié)構(gòu)體系和該結(jié)構(gòu)的等效單自由度結(jié)構(gòu)體系的反應(yīng)是相互關(guān)聯(lián)的，即結(jié)構(gòu)的第一振型控制結(jié)構(gòu)的反應(yīng)；二、在每一個荷載的加載步中，結(jié)構(gòu)沿著高度方向的變形由形狀向量表示，在這一過程當(dāng)中，不論結(jié)構(gòu)變形的大小，形狀向量不變。

2.2 Pushover分析基本過程及荷載工況

本次計算利用SAP2000軟件的pushover功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析，分析過程如下：首先建立結(jié)構(gòu)的計算模型，定義結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屬性，確定結(jié)構(gòu)計算和分析的工況，然后運(yùn)行pushover進(jìn)行計算分析，最后查看計算結(jié)果，得出結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力等結(jié)果。

SAP2000軟件提供了三種荷載加載方式，分別為自定義分布、均勻加速度分布和振型荷載分布。在進(jìn)行pushover分析計算時，首先要計算和分析豎向荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，然后在此基礎(chǔ)上考慮水平力作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。因此，本次計算分析的水平荷載加載模式（工況）如下：

第一工況：豎向荷載；

第二工況：豎向荷載+均勻分布荷載X方向；

第三工況：豎向荷載+均勻分布荷載Y方向；

第四工況：豎向荷載+結(jié)構(gòu)的第一振型分布；

第五工況：豎向荷載+結(jié)構(gòu)的第二振型分布。

3、某高層鋼框架基于pushover方法的抗震分析

本文以某高層鋼框架結(jié)構(gòu)為例，對其進(jìn)行基于pushover方法的抗震計算分析。

3.1 工程概況及計算模型

某十二層鋼框架結(jié)構(gòu)，層高為3m，結(jié)構(gòu)的梁柱和支撐全部是H型鋼，梁的截面尺寸是：400mm×300mm×10mm×16mm，柱子的截面尺寸是：600mm×300mm×12mm×20mm，支撐的截面尺寸是：200mm×200mm×8mm×12mm，樓板是100mm厚的鋼筋混凝土現(xiàn)澆板。鋼框架結(jié)構(gòu)的建筑地區(qū)抗震設(shè)防烈度是8度，場地類別是Ⅱ類，結(jié)構(gòu)設(shè)計地震分組是第二組，場地特征周期是0.4s，結(jié)構(gòu)的阻尼比是0.05，設(shè)計的地震加速度值是0.209。在SAP2000中建立結(jié)構(gòu)計算模型如圖1所示。

3.2 分析結(jié)果

3.2.1 結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位移

由計算結(jié)果可知，工況二情況下，多遇地震時結(jié)構(gòu)頂層的目標(biāo)位移為0.074m，罕遇地震時結(jié)構(gòu)頂層的目標(biāo)位移為0.392m；工況三情況下，多遇地震時結(jié)構(gòu)頂層的目標(biāo)位移為0.055m，罕遇地震時結(jié)構(gòu)頂層的目標(biāo)位移為0.309m；工況四情況下，多遇地震時結(jié)構(gòu)頂層的目標(biāo)位移為0.084m，罕遇地震時結(jié)構(gòu)頂層的目標(biāo)位移為0.531m，工況五情況下，多遇地震時結(jié)構(gòu)頂層的目標(biāo)位移為0.063m，罕遇地震時結(jié)構(gòu)頂層的目標(biāo)位移為0.385m。

分布比較工況二和工況四、工況三和工況五可以發(fā)現(xiàn)，兩組工況下得出的數(shù)據(jù)結(jié)果相差不大，這說明對于高層鋼框架結(jié)構(gòu)來說，不同的加載模式會產(chǎn)生差異，且工況四時結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移大于工況二作用時結(jié)構(gòu)的位移，工況五時結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移大于工況三作用時結(jié)構(gòu)的位移，這是因?yàn)楣r二和工況三是側(cè)向均布的荷載，工況四和工況五是倒三角分布的荷載，符合實(shí)際情況。

3.2.2 結(jié)構(gòu)塑性鉸的分布

觀察計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，罕遇地震時結(jié)構(gòu)是逐步出現(xiàn)塑性鉸，多遇地震時結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)塑性鉸。分析罕遇地震發(fā)現(xiàn)，工況二、工況三、工況四和工況五時結(jié)構(gòu)都是在第五個荷載分析步時出現(xiàn)塑性鉸，在第七個荷載分析步時梁單元進(jìn)入屈服階段，但是最終柱單元上沒有出現(xiàn)塑性鉸。

3.2.3 結(jié)構(gòu)的層間位移角

觀察計算結(jié)果可以知道，四種工況下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的層間位移角都能夠滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范的規(guī)定要求，彈性層的層間位移角小于1/300，彈塑性層間位移角小于1/50。

4、結(jié)論

伴隨著結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計當(dāng)中越來越多的引入基于性能設(shè)計的思想，基于pushover方法的抗震分析必然會越來越多的應(yīng)用于地震工程界當(dāng)中。通過本文的計算和分析可以得出以下結(jié)論：

對高層鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于pushover方法的抗震分析時，使用不同的水平荷載加載模式得到的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移和層間位移角有差別，但是差別不大，得到的結(jié)果符合荷載的加載模式實(shí)際情況。

本文以某高層鋼框架為例，進(jìn)行基于pushover方法的抗震設(shè)計分析，在分析的過程中，可以比較清楚的看到結(jié)構(gòu)塑性鉸的出現(xiàn)和構(gòu)件的屈服過程，對于今后結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和評估具有十分重要的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢稼茹，羅文斌.靜力彈塑性分析一基于性能/位移抗震設(shè)計的分析工具[J].建筑結(jié)構(gòu).

[2] 歐進(jìn)萍，侯鋼領(lǐng)，吳斌.概率Pushover分析方法及其在結(jié)構(gòu)體系抗震可靠度評估中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報.

[3] 魏巍，馮啟民.幾種Push-over分析方法對比研究[J].地震工程與工程振動.

[4] 汪夢甫，周錫元.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震塑性分析方法及抗震性能評估的研究[J].土木工程學(xué)報.