摘要為研究火災(zāi)局部高溫對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)Pushover分析的影響，以鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，將側(cè)向荷載以均勻分布的形式考慮，采用Abaqus有限元軟件建立數(shù)值模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性響應(yīng)分析，同時(shí)對(duì)比不同溫度作用對(duì)分析結(jié)果的影響。研究結(jié)果表明：隨著局部高溫作用溫度的升高，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移和層間位移相對(duì)誤差呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，局部高溫對(duì)結(jié)構(gòu)Pushover分析結(jié)果有顯著影響。研究結(jié)果為降低局部高溫和側(cè)向荷載同時(shí)作用給結(jié)構(gòu)帶來的破壞提供了參考。

　　關(guān)鍵詞Pushover分析;高溫;頂點(diǎn)位移，層間位移

　　1前言

　　我國是一個(gè)多地震國家，地震不僅會(huì)帶來直接危害，還會(huì)引發(fā)許多次生災(zāi)害。地震次生火災(zāi)是發(fā)生頻率最高的地震次生災(zāi)害，次生火災(zāi)的發(fā)生加重了地震災(zāi)害的破壞[1]。因此，進(jìn)行結(jié)構(gòu)在高溫作用下的抗震性能研究具有重要意義。地震工程經(jīng)過幾十年的努力，已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，為滿足抗震設(shè)計(jì)要求，高層建筑宜進(jìn)行罕遇地震狀態(tài)下的受力分析，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的整體抗震性能進(jìn)行評(píng)估[2]。靜力彈塑性分析(Pushover)方法是抗震設(shè)計(jì)中比較簡單同時(shí)又具有代表性的分析方法，在一定條件下可以準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能。Pushover方法的基本思路是在結(jié)構(gòu)上施加豎向荷載并保持不變，同時(shí)施加某種分布的水平荷載，該水平荷載單調(diào)增加，構(gòu)件逐步屈服，從而得到結(jié)構(gòu)在橫向荷載作用下的彈塑性性能[3,4]。

　　Pushover方法的研究與應(yīng)用發(fā)展迅速，Lawson[5]等以2層、5層、10層和15層的抗彎框架為研究對(duì)象，通過與動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果的比較，探討了UBS設(shè)計(jì)加載模式、均布加載模式和組合振型加載模式的可靠性。Moghadam[6]等采用倒三角形側(cè)向荷載模式，對(duì)一幢10層質(zhì)量偏心的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了Pushover分析，并與無質(zhì)量偏心的相同框架結(jié)構(gòu)的分析結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。

　　歐進(jìn)萍[7]根據(jù)結(jié)構(gòu)體系可靠度的特點(diǎn)，提出了結(jié)構(gòu)抗震分析的概率Pushover分析方法，并用重要抽樣法驗(yàn)證了方法的精確度，研究結(jié)果表明了概率Pushover分析方法的可靠度和實(shí)用性。汪大綏[4]對(duì)美國FEMA273/274和ATC-40手冊(cè)中關(guān)于靜力彈塑性分析的基本原理和方法進(jìn)行了闡述，給出了適用于我國地震烈度分析的計(jì)算步驟，并通過算例驗(yàn)證，表明Pushover方法是目前對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行在罕遇地震作用下彈塑性分析的有效方法。

　　繆志偉[8]以逐步增量彈塑性時(shí)程方法的結(jié)果為準(zhǔn)，分別以6層RC框架結(jié)構(gòu)和18層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)為例，研究了Pushover方法的準(zhǔn)確性和適用性。劉晶波[9]在借鑒地上結(jié)構(gòu)抗震分析的Pushover方法思想的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于地鐵等地下結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)使用的Pushover分析方法，結(jié)合實(shí)際工程的對(duì)比研究，驗(yàn)證了次方的可靠性與良好的模擬精度。

　　梁建文[10]以天津某高層建筑為工程實(shí)例，采用5種常見的側(cè)向分布模式進(jìn)行分析，與彈塑性動(dòng)力時(shí)程結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)超限高層建筑Pushover分析中側(cè)向力分布模式提出了建議。利用Pushover方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能分析的優(yōu)勢(shì)在于：考慮了結(jié)構(gòu)的彈塑性特性，輸入數(shù)據(jù)簡單，計(jì)算簡便。不僅能對(duì)結(jié)構(gòu)在小震作用下進(jìn)行彈性受力分析，還能對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性受力分析，確定結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，使設(shè)計(jì)者對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)和修復(fù)，使整體結(jié)構(gòu)滿足大震下的抗震性能要求。結(jié)構(gòu)抗火理論及其工程應(yīng)用越來越受到學(xué)者和研究人員的關(guān)注。

　　火災(zāi)高溫對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的材料性能特別是力學(xué)性能有顯著影響，當(dāng)溫度超過550℃時(shí)，普通結(jié)構(gòu)鋼將喪失大部分強(qiáng)度和剛度[11]。混凝土在火災(zāi)高溫下會(huì)爆裂，其強(qiáng)度和剛度也會(huì)降低[12]。因此，進(jìn)行鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)在局部高溫作用下的抗震性能評(píng)估具有重要意義。我國結(jié)構(gòu)抗火研究較國外起步較晚，同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱建筑大學(xué)等在國內(nèi)較早開始了混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗火研究，然而在結(jié)構(gòu)抗火工程應(yīng)用方面我國遠(yuǎn)不如國外該領(lǐng)域的先進(jìn)國家[11]。

　　在Pushover分析中考慮火災(zāi)局部高溫作用的研究較少。火災(zāi)局部高溫作用會(huì)影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料性能，對(duì)結(jié)構(gòu)在地震中的反應(yīng)造成不可忽視的影響。為了研究局部高溫對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，本文進(jìn)行了局部高溫下結(jié)構(gòu)Pushover分析的研究。局部高溫作用以相應(yīng)構(gòu)件的熱工性能和應(yīng)力-應(yīng)變模型施加。采用Pushover分析方法時(shí)，側(cè)向荷載分布形式主要有高度等效分布、彈性多振型組合分布和倒三角分布3種[13,14]。

　　通過對(duì)側(cè)向力分布的影響分析發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)的彈性階段，前兩種分布形式對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移的計(jì)算比倒三角分布精確，但是當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段后，倒三角分布計(jì)算精度較高[15]。由于高度等效分布形式比較簡單，且單一荷載分布形式能夠完成結(jié)構(gòu)反應(yīng)的對(duì)比分析，因此本文Pushover分析側(cè)向荷載分布采用高度等效分布形式，即水平側(cè)向推力沿結(jié)構(gòu)高度均勻分布。因此，本文針對(duì)含有鋼板剪力墻的高層鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)，采用大型通用有限元軟件Abaqus建立其有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)在局部高溫作用下進(jìn)行Pushover分析，同時(shí)對(duì)比不同溫度下結(jié)構(gòu)的力學(xué)反應(yīng)，以研究局部高溫對(duì)結(jié)構(gòu)Pushover分析結(jié)果的影響。

　　2局部高溫下結(jié)構(gòu)Pushover分析的數(shù)值模型

　　2.1結(jié)構(gòu)模型

　　本文以24層鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)為例，建立鋼結(jié)構(gòu)外框架+裝配式勁性混凝土核心筒整體結(jié)構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)平面尺寸為75.6m×29.75m，1-3層層高5.4m，23層層高4.55m，其它層層高3.9m，鋼框架構(gòu)件均采用Q235鋼，混凝土采用C30-C55混凝土，其中C30混凝土彈性模量取為3×104MPa，泊松比取為ν=0.2。

　　2.2高溫下材料的熱工性能及本構(gòu)關(guān)系

　　2.3模型及單元選擇

　　采用三維空間有限元模型進(jìn)行建模，對(duì)整體模型建立了其等效線單元力學(xué)模型，將工字型鋼梁，箱型鋼柱等效成梁單元，剪力墻等效成殼單元，含有鋼板的剪力墻等效成復(fù)合殼單元進(jìn)行積分模擬。

　　2.4局部高溫區(qū)域設(shè)置

　　為了研究結(jié)構(gòu)體系中不同位置的柱構(gòu)件受到高溫作用，對(duì)結(jié)構(gòu)整體Pushover分析的影響，設(shè)置了三個(gè)不同位置的局部高溫區(qū)域，分別位于結(jié)構(gòu)的1、12、22層，各區(qū)域所在的平面位置相同。鋼結(jié)構(gòu)抗火分析需要解決三大問題，即火的燃燒及結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部溫度分布、高溫下材料性能的變化、結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的反應(yīng)[22]。本文重點(diǎn)放在已知溫度狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的Pushover分析上，對(duì)高溫區(qū)域的柱采用對(duì)應(yīng)溫度的熱工參數(shù)和本構(gòu)模型。

　　2.5分析步、荷載及邊界條件

　　采用StaticGeneral求解器進(jìn)行求解，首層底端全部固支。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析過程中，模態(tài)分析必不可少，主要用來計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，包括結(jié)構(gòu)自振周期和振型。進(jìn)行模態(tài)計(jì)算時(shí)，獲得結(jié)構(gòu)前5階振型周期，且結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的Y向是其平面主振型方向，并且振型符合一般高層超高層結(jié)構(gòu)振型整體振動(dòng)特征。得到模型自振周期和振型后，對(duì)模型施加重力荷載和側(cè)向水平荷載，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的Pushover分析。當(dāng)溫度超過550℃時(shí)，結(jié)構(gòu)鋼將喪失大部分強(qiáng)度和剛度，為了觀察局部高溫對(duì)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果更顯著的影響，選定200，300，400，500，600℃作為局部高溫的溫度變量。

　　3結(jié)果分析與對(duì)比

　　3.1局部高溫對(duì)頂點(diǎn)位移的影響

　　在結(jié)構(gòu)不同位置施加局部高溫后進(jìn)行Pushover分析，得到結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位與局部溫度的關(guān)系曲線，雖然當(dāng)1層柱在200℃和300℃局部高溫作用下，頂點(diǎn)位移出現(xiàn)2mm左右的下降，但是頂點(diǎn)位移隨溫度的升高基本呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì);400~600℃溫度區(qū)間內(nèi)，結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度和剛度下降明顯，頂點(diǎn)位移增加幅度最大;局部高溫作用位置所在結(jié)構(gòu)層數(shù)會(huì)影響頂點(diǎn)位移，1層局部高溫對(duì)頂點(diǎn)位移的影響大于12層和22層局部高溫帶來的影響，其中22層局部高溫對(duì)頂點(diǎn)位移的影響最小，說明底部結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能在Pushover分析中影響較大。

　　3.2層間位移受局部高溫的影響

　　在結(jié)構(gòu)不同位置施加局部高溫后進(jìn)行Pushover分析，分別獲得了1層、12層和22層柱在不同溫度作用下樓層層間位移與常溫下層間位移的相對(duì)誤差，當(dāng)1層局部受不同高溫作用時(shí)，樓層層間位移與常溫下相比相對(duì)誤差的變化趨勢(shì)基本相同，底部相對(duì)誤差較大，隨樓層增加，相對(duì)誤差呈現(xiàn)逐漸減低的趨勢(shì)。同一樓層隨著溫度的增加，相對(duì)誤差逐漸增大，400~600℃溫度區(qū)間內(nèi)，相對(duì)誤差增加最為明顯。

　　當(dāng)12層局部受不同高溫作用時(shí)，樓層層間位移與常溫下相比，相對(duì)誤差的變化趨勢(shì)與1層受局部高溫作用時(shí)基本相同。200~400℃溫度區(qū)間內(nèi)，層間位移相對(duì)誤差變化幅度較小，當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，層間位移相對(duì)誤差迅速增大。當(dāng)22層局部受不同高溫作用時(shí)，結(jié)構(gòu)層間位移與常溫下相比的相對(duì)誤差變化很小，可以忽略不計(jì)，與受局部高溫作用的柱的個(gè)數(shù)有關(guān)，同時(shí)說明頂部受高溫作用比底部受相同高溫作用，對(duì)層間位移帶來的影響小。隨著局部高溫作用樓層的增加，層間位移相對(duì)誤差迅速減小，驗(yàn)證了底部結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能在Pushover分析中對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)影響較大。

　　3.3最大層間位移相對(duì)誤差出現(xiàn)樓層受局部高溫的影響

　　當(dāng)在1層作用局部高溫時(shí)，200~400℃溫度區(qū)間內(nèi)，最大層間位移相對(duì)誤差均出現(xiàn)在頂層，當(dāng)溫度升到500℃時(shí)，1層的層間位移相對(duì)誤差最大。當(dāng)在12層作用局部高溫時(shí)，最大層間位移相對(duì)誤差出現(xiàn)樓層在300℃發(fā)生改變，當(dāng)溫度達(dá)到500℃后，最大層間位移相對(duì)誤差發(fā)生在1層。當(dāng)在22層作用局部高溫時(shí)，最大層間位移相對(duì)誤差出現(xiàn)樓層不受溫度變化的影響，始終出現(xiàn)在22層。對(duì)比三組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，局部高溫作用在1層和12層時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移相對(duì)誤差的影響更加明顯。

　　4結(jié)論與展望

　　本文重點(diǎn)放在已知溫度狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析上，對(duì)24層鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)3個(gè)不同位置的柱施加不同的局部高溫，再進(jìn)行側(cè)向荷載高度等效分布的Pushover分析，研究了局部高溫對(duì)結(jié)構(gòu)Pushover分析的影響，得到以下主要結(jié)論：(1)對(duì)三個(gè)樓層分別作用局部高溫時(shí)，隨溫度的升高，鋼材的力學(xué)性能受到影響，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，因此在高層建筑結(jié)構(gòu)pushover分析時(shí)宜考慮局部高溫的影響;(2)樓層層間位移與常溫下相比相對(duì)誤差的變化趨勢(shì)基本相同，最大相對(duì)誤差出現(xiàn)在底部，隨樓層增加，相對(duì)誤差呈現(xiàn)逐漸減低的趨勢(shì)。

　　(3)400~600℃溫度區(qū)間內(nèi)，結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能受到顯著影響，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移和層間位移的相對(duì)誤差均在此溫度區(qū)間內(nèi)發(fā)生明顯增大。(4)1層、12層和22層受高溫作用給結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移和層間位移帶來的影響依次減小，底部結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能在Pushover分析中對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)影響較大。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]鐘江榮.城市地震次生火災(zāi)研究[D].中國地震局工程力學(xué)研究所，2010.

　　[2]劉桂平.高層鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的經(jīng)歷彈塑性Pushover分析及應(yīng)用[D].中南大學(xué)，2008.

　　[3]錢稼茹，羅文斌.靜力彈塑性分析——基于性能/位移抗震設(shè)計(jì)的分析工具[J].建筑結(jié)構(gòu)，2000(6)：23-26.

　　[4]汪大綏，賀軍利，張鳳新.靜力彈塑性分析(PushoverAnalysis)的基本原理和計(jì)算實(shí)例[J].世界地震工程，2004，20(1)：45-53.

　　[5]S.LR,H.VVK.NonlinearStaticPushoverAnalysis-Why,WhenandHow?Proc5thUSConf.Earthq.Enggn.VolⅠ[C],Chicago,1994.

　　[6]SMA,K.TW.DamageAssessmentofEccentricMultistoryBuildingusing3-DPushoverAnalysis:11thWordConferenceonEarthquakeEngineering[C],1996.

　　[7]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(píng)估中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2001(6)：81-86.

　　[8]繆志偉，馬千里，葉列平，等.Pushover方法的準(zhǔn)確性和適用性研究[J].工程抗震與加固改造，2008(1)：55-59.

　　[9]劉晶波，劉祥慶，李彬.地下結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)的Pushover分析方法[J].土木工程學(xué)報(bào)，2008，41(4)：73-80.

　　[10]梁建文，徐曉慧，周德玲，等.天津市某商業(yè)大廈超限高層建筑靜力彈塑性分析[J].工業(yè)建筑，2016，46(12)：184-190.

　　作者：蘭濤1，丁敏3，莊金釗3，秦廣沖1，喬海洋2，姚亞明2，張艷3