静力弹塑性分析在窑尾塔架设计中的实践

李 刚（中国中材国际工程股份有限公司（南京），江苏 南京 211100）

0 引言

窑尾塔架作为水泥厂的重要的高层建筑，其结构的安全性能至关重要。随着我公司结构优化设计工作的开展，钢结构构件截面比以往设计大大减小，无形中降低了结构的极限承载能力；为进一步了解窑尾塔架在罕遇地震下的工作性能，有必要对塔架结构在罕遇地震下的结构整体性能和构件性能进行评估。针对窑尾塔架的结构特点及抗震规范要求，现以我公司设计的宁夏建材集团产业扶贫产能置换建设5000t/d项目窑尾塔架进行在罕遇地震下的静力弹塑性分析（PUSH-OVER ANALYSIS），以验证构筑物抗震性能目标，评价其结构力学性能。

1 静力弹塑性分析方法简介

静力弹塑性分析方法也称为推覆法，该方法基于美国的FEMA-273抗震评估方法和ATC-40报告，是一种介于弹性分析和动力弹塑性分析之间的方法，其理论核心是“目标位移法”和“承载力谱法”[1]。

本案例分析程序采用中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所研发的PKPM弹塑性结构分析软件PUSH&EPDA。PUSH&EPDA程序采用了目前阶段可以使用的较为先进的梁单元模型。梁、柱、支撑等一维构件采用纤维束模型模拟，纤维束模型的适用性好，不受截面形式和材料限制，被认为是一种较为精确的杆系有限单元模型[2]。

2 概况介绍

2.1 分析目标

（1）验证本构筑物在三水准设防中的“大震不倒”，得到结构在罕遇地震作用下的塑性开展过程与开展程度，根据主要抗侧力构件的塑性损伤和整体变形情况，确定结构是否满足“大震不倒”的设防水准预定的性能目标；

（2）两阶段设计中的“第二阶段弹塑性变形验算”强震下变形验算。根据结构在罕遇地震作用下的基底剪力、层间位移角等综合指标，评价结构在罕遇地震作用下的力学性能；针对结构薄弱部位和薄弱构件做出相应的调整与完善。

通过分析和总结，以提供支持结构设计的决策依据，为后续项目设计提供借鉴。

2.2 项目概况

工程抗震设防烈度8度（0.2g），设计地震分组为第三组，场地土类别Ⅱ类，场地特征周期0.45s，计算罕遇地震作用时，特征周期应增加0.05s。

基于本构筑物功能以及结构体系的抗侧力性能等考虑，本塔架结构采用双重抗侧力体系钢管混凝土框架-中心支撑结构体系来抵抗水平作用。

窑尾框架为钢管混凝土钢框架-支撑结构，其中钢柱为焊接圆形钢管混凝土柱，钢梁为焊接H型钢梁，支撑为焊接圆形截面中心支撑，楼板为花纹钢板。

结构总高度105.450m，结构平面尺寸为18.1m×26.6m，结构阻尼值取0.05。抗侧力体系立面示意图见图1。

图1 窑尾塔架抗侧力体系立面

2.3 抗震性能目标

针对窑尾塔架结构特点，《参照高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010），《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99—2015）及《钢管混凝土结构技术规范》（GB50396-2014），制定塔架结构构件的抗震性能目标，见表1。

表1 塔架结构构件抗震性能目标

2.4 抗震设计思路

对于小震和中震下结构构件的抗震性能目标，通常我们只需要按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合，验算构件截面抗震承载力及结构的弹性变形。而中震作用效应则需要结构靠一定的塑性变形能力（即延性）来抵抗。我国建筑抗震设计规范根据不同的设防烈度及建筑物特点对结构延性提出了相应要求，设计时采取抗震措施加以保证。

在大震（罕遇地震）情况下，结构构件允许进入屈服，结构应力、应变呈非线性，构件刚度退化，阻尼减少，不能用弹性分析，而是需要弹塑性分析来考察建筑物的的抗震性能。

3 静力弹塑性分析

3.1 大震作用下静力弹塑性分析要点[1，2]

（1）建立合理的结构计算模型、构件的物理参数和恢复力模型等前期工作。构件的物理参数和恢复力模型基本程序提供参考选项，计算时仔细加以阅读并选择。着重强调结构计算模型的合理、真实性，一定要按弹性分析的结果真实反应各抗侧力构件的情况，包括构件不缺失，截面规格及配筋等。

（2）施加水平力。在结构的两个主轴方向分别施加单向水平力进行静力弹塑性分析，特殊情况下还需增加斜交方向工况。窑尾塔架相对规则，且多遇地震下分析结果显示最大地震力方向接近Y方向，所以本例仅计算两个主轴方向的工况。水平力模型取多遇地震下基底剪力与CQC振型组合方法弹性分析的结果进行比较，两者应基本一致。

3.2 结果查看及分析

本例选用沿高度倒三角形荷载分布模式，经分析后，得到多遇地震及罕遇地震情况下性能点结果及罕遇地震作用下结构塑性铰结果

3.2.1 X向施加单向水平力工况结果

（1）多遇地震情况下性能点结果见图2。与弹性分析对比，性能点基底剪力:2 730.8 kN，此值与CQC振型组合方法弹性分析基底剪力2759kN基本一致，最大层间位移角也基本一致，说明此加载方式可行。

图2 多遇地震情况下性能点结果

（2）罕遇地震情况下性能点结果见图3。PUSH推覆性能点基底剪力:13376.2kN；PUSH推覆剪力/设计剪力：3.7；基底剪力与在小震计算结果比值在常规的3～6倍区间。最大层间位移角1/150，满足大震层间位移角限值1/50要求。

图3 罕遇地震情况下性能点结果

（3）罕遇地震情况下塑性铰结果见图4。结果显示，罕遇地震情况下各抗侧力构件塑性铰性能状态良好，满足满足设定的抗震性能目标下构件性能要求。

图4 罕遇地震情况下塑性铰结果

3.2.2 Y向施加单向水平力验算

（1）多遇地震情况下性能点结果见图5。性能点基底剪力:2592.6kN，此值与CQC振型组合方法弹性分析基底剪力2530kN基本一致，最大层间位移角也基本一致，说明此加载方式可行。

图5 多遇地震情况下性能点结果

（2）罕遇地震情况下性能点结果见图6。PUSH推覆性能点基底剪力:11971kN；PUSH推覆剪力/设计剪力：3.31；基底剪力与在小震计算结果比值在常规的3～6倍区间。最大层间位移角1/109，满足大震层间位移角限值1/50要求。

图6 罕遇地震情况下性能点结果

（3）罕遇地震情况下塑性铰结果见图7。结果显示，罕遇地震情况下仅个别梁端位置塑性铰性能状态为C级，其他各抗侧力构件性能状态良好，满足满足“大震不倒”的设防水准要求。

图7 罕遇地震情况下塑性铰结果

此时可返回弹性设计阶段对相应塑性性能较差的薄弱构件加以调整，重新复核验算。

4 结语

本算例针对工程的建筑特点，窑尾塔架结构采用了钢管混凝土框架-中心支撑结构体系，通过对结构进行小震的反应谱分析以及大震的弹塑性时程分析计算得出，此体系既能满足建筑的使用功能，也能达到结构预设的抗震性能目标。

同时也验证了钢管混凝土框架-中心支撑结构体系窑尾塔架的技术优势；本文的验算流程及相关验证、调整经验对后续项目设计提供了很好的指导意义。