摘要為研究火災局部高溫對高層建筑結構Pushover分析的影響，以鋼-混凝土混合結構為研究對象，將側向荷載以均勻分布的形式考慮，采用Abaqus有限元軟件建立數值模型，進行結構彈塑性響應分析，同時對比不同溫度作用對分析結果的影響。研究結果表明：隨著局部高溫作用溫度的升高，結構頂點位移和層間位移相對誤差呈現逐漸增大的趨勢，局部高溫對結構Pushover分析結果有顯著影響。研究結果為降低局部高溫和側向荷載同時作用給結構帶來的破壞提供了參考。

　　關鍵詞Pushover分析;高溫;頂點位移，層間位移

　　1前言

　　我國是一個多地震國家，地震不僅會帶來直接危害，還會引發許多次生災害。地震次生火災是發生頻率最高的地震次生災害，次生火災的發生加重了地震災害的破壞[1]。因此，進行結構在高溫作用下的抗震性能研究具有重要意義。地震工程經過幾十年的努力，已經取得了很大的進展，為滿足抗震設計要求，高層建筑宜進行罕遇地震狀態下的受力分析，從而對結構的整體抗震性能進行評估[2]。靜力彈塑性分析(Pushover)方法是抗震設計中比較簡單同時又具有代表性的分析方法，在一定條件下可以準確評估結構的抗震性能。Pushover方法的基本思路是在結構上施加豎向荷載并保持不變，同時施加某種分布的水平荷載，該水平荷載單調增加，構件逐步屈服，從而得到結構在橫向荷載作用下的彈塑性性能[3,4]。

　　Pushover方法的研究與應用發展迅速，Lawson[5]等以2層、5層、10層和15層的抗彎框架為研究對象，通過與動力彈塑性分析結果的比較，探討了UBS設計加載模式、均布加載模式和組合振型加載模式的可靠性。Moghadam[6]等采用倒三角形側向荷載模式，對一幢10層質量偏心的框架結構進行了Pushover分析，并與無質量偏心的相同框架結構的分析結構進行了對比。

　　歐進萍[7]根據結構體系可靠度的特點，提出了結構抗震分析的概率Pushover分析方法，并用重要抽樣法驗證了方法的精確度，研究結果表明了概率Pushover分析方法的可靠度和實用性。汪大綏[4]對美國FEMA273/274和ATC-40手冊中關于靜力彈塑性分析的基本原理和方法進行了闡述，給出了適用于我國地震烈度分析的計算步驟，并通過算例驗證，表明Pushover方法是目前對結構進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程方法的結果為準，分別以6層RC框架結構和18層框架-剪力墻結構為例，研究了Pushover方法的準確性和適用性。劉晶波[9]在借鑒地上結構抗震分析的Pushover方法思想的基礎上，提出了一種適用于地鐵等地下結構抗震分析與設計使用的Pushover分析方法，結合實際工程的對比研究，驗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例，采用5種常見的側向分布模式進行分析，與彈塑性動力時程結果進行對比，對超限高層建筑Pushover分析中側向力分布模式提出了建議。利用Pushover方法進行結構抗震性能分析的優勢在于：考慮了結構的彈塑性特性，輸入數據簡單，計算簡便。不僅能對結構在小震作用下進行彈性受力分析，還能對結構進行罕遇地震下的彈塑性受力分析，確定結構的薄弱環節，使設計者對結構的薄弱環節進行加強和修復，使整體結構滿足大震下的抗震性能要求。結構抗火理論及其工程應用越來越受到學者和研究人員的關注。

　　火災高溫對結構鋼的材料性能特別是力學性能有顯著影響，當溫度超過550℃時，普通結構鋼將喪失大部分強度和剛度[11]。混凝土在火災高溫下會爆裂，其強度和剛度也會降低[12]。因此，進行鋼-混凝土混合結構在局部高溫作用下的抗震性能評估具有重要意義。我國結構抗火研究較國外起步較晚，同濟大學、清華大學、哈爾濱建筑大學等在國內較早開始了混凝土結構、鋼結構、鋼-混凝土組合結構的抗火研究，然而在結構抗火工程應用方面我國遠不如國外該領域的先進國家[11]。

　　在Pushover分析中考慮火災局部高溫作用的研究較少。火災局部高溫作用會影響結構構件的材料性能，對結構在地震中的反應造成不可忽視的影響。為了研究局部高溫對結構抗震性能的影響，本文進行了局部高溫下結構Pushover分析的研究。局部高溫作用以相應構件的熱工性能和應力-應變模型施加。采用Pushover分析方法時，側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]。

　　通過對側向力分布的影響分析發現，在結構的彈性階段，前兩種分布形式對結構層間位移的計算比倒三角分布精確，但是當結構進入塑性階段后，倒三角分布計算精度較高[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構反應的對比分析，因此本文Pushover分析側向荷載分布采用高度等效分布形式，即水平側向推力沿結構高度均勻分布。因此，本文針對含有鋼板剪力墻的高層鋼-混凝土混合結構，采用大型通用有限元軟件Abaqus建立其有限元模型，對結構在局部高溫作用下進行Pushover分析，同時對比不同溫度下結構的力學反應，以研究局部高溫對結構Pushover分析結果的影響。

　　2局部高溫下結構Pushover分析的數值模型

　　2.1結構模型

　　本文以24層鋼-混凝土混合結構為例，建立鋼結構外框架+裝配式勁性混凝土核心筒整體結構模型，結構平面尺寸為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關系

　　2.3模型及單元選擇

　　采用三維空間有限元模型進行建模，對整體模型建立了其等效線單元力學模型，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合殼單元進行積分模擬。

　　2.4局部高溫區域設置

　　為了研究結構體系中不同位置的柱構件受到高溫作用，對結構整體Pushover分析的影響，設置了三個不同位置的局部高溫區域，分別位于結構的1、12、22層，各區域所在的平面位置相同。鋼結構抗火分析需要解決三大問題，即火的燃燒及結構構件內部溫度分布、高溫下材料性能的變化、結構在火災中的反應[22]。本文重點放在已知溫度狀態下結構的Pushover分析上，對高溫區域的柱采用對應溫度的熱工參數和本構模型。

　　2.5分析步、荷載及邊界條件

　　采用StaticGeneral求解器進行求解，首層底端全部固支。在對結構進行靜力彈塑性分析過程中，模態分析必不可少，主要用來計算結構的動力特性，包括結構自振周期和振型。進行模態計算時，獲得結構前5階振型周期，且結果表明結構的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構振型整體振動特征。得到模型自振周期和振型后，對模型施加重力荷載和側向水平荷載，進行整體結構的Pushover分析。當溫度超過550℃時，結構鋼將喪失大部分強度和剛度，為了觀察局部高溫對結構分析結果更顯著的影響，選定200，300，400，500，600℃作為局部高溫的溫度變量。

　　3結果分析與對比

　　3.1局部高溫對頂點位移的影響

　　在結構不同位置施加局部高溫后進行Pushover分析，得到結構頂點位與局部溫度的關系曲線，雖然當1層柱在200℃和300℃局部高溫作用下，頂點位移出現2mm左右的下降，但是頂點位移隨溫度的升高基本呈現逐漸增大的趨勢;400~600℃溫度區間內，結構鋼的強度和剛度下降明顯，頂點位移增加幅度最大;局部高溫作用位置所在結構層數會影響頂點位移，1層局部高溫對頂點位移的影響大于12層和22層局部高溫帶來的影響，其中22層局部高溫對頂點位移的影響最小，說明底部結構的力學性能在Pushover分析中影響較大。

　　3.2層間位移受局部高溫的影響

　　在結構不同位置施加局部高溫后進行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誤差，當1層局部受不同高溫作用時，樓層層間位移與常溫下相比相對誤差的變化趨勢基本相同，底部相對誤差較大，隨樓層增加，相對誤差呈現逐漸減低的趨勢。同一樓層隨著溫度的增加，相對誤差逐漸增大，400~600℃溫度區間內，相對誤差增加最為明顯。

　　當12層局部受不同高溫作用時，樓層層間位移與常溫下相比，相對誤差的變化趨勢與1層受局部高溫作用時基本相同。200~400℃溫度區間內，層間位移相對誤差變化幅度較小，當溫度達到600℃時，層間位移相對誤差迅速增大。當22層局部受不同高溫作用時，結構層間位移與常溫下相比的相對誤差變化很小，可以忽略不計，與受局部高溫作用的柱的個數有關，同時說明頂部受高溫作用比底部受相同高溫作用，對層間位移帶來的影響小。隨著局部高溫作用樓層的增加，層間位移相對誤差迅速減小，驗證了底部結構的力學性能在Pushover分析中對結構反應影響較大。

　　3.3最大層間位移相對誤差出現樓層受局部高溫的影響

　　當在1層作用局部高溫時，200~400℃溫度區間內，最大層間位移相對誤差均出現在頂層，當溫度升到500℃時，1層的層間位移相對誤差最大。當在12層作用局部高溫時，最大層間位移相對誤差出現樓層在300℃發生改變，當溫度達到500℃后，最大層間位移相對誤差發生在1層。當在22層作用局部高溫時，最大層間位移相對誤差出現樓層不受溫度變化的影響，始終出現在22層。對比三組數據可以發現，局部高溫作用在1層和12層時，對結構層間位移相對誤差的影響更加明顯。

　　4結論與展望

　　本文重點放在已知溫度狀態下結構的靜力彈塑性分析上，對24層鋼-混凝土混合結構3個不同位置的柱施加不同的局部高溫，再進行側向荷載高度等效分布的Pushover分析，研究了局部高溫對結構Pushover分析的影響，得到以下主要結論：(1)對三個樓層分別作用局部高溫時，隨溫度的升高，鋼材的力學性能受到影響，結構頂點位移呈現逐漸增大的趨勢，因此在高層建筑結構pushover分析時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誤差的變化趨勢基本相同，最大相對誤差出現在底部，隨樓層增加，相對誤差呈現逐漸減低的趨勢。

　　(3)400~600℃溫度區間內，結構鋼的力學性能受到顯著影響，結構的頂點位移和層間位移的相對誤差均在此溫度區間內發生明顯增大。(4)1層、12層和22層受高溫作用給結構頂點位移和層間位移帶來的影響依次減小，底部結構的力學性能在Pushover分析中對結構反應影響較大。

　　參考文獻

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　　[9]劉晶波，劉祥慶，李彬.地下結構抗震分析與設計的Pushover分析方法[J].土木工程學報，2008，41(4)：73-80.

　　[10]梁建文，徐曉慧，周德玲，等.天津市某商業大廈超限高層建筑靜力彈塑性分析[J].工業建筑，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