摘要：通过对基于性能的地震反应静力非线性分析方法的原理及实施步骤进行的阐述，分别采用地震反应图谱法、底部剪应力法和动力时程分析法来对框架结构抗震塑性屈曲安全性进行评估分析。证明这种方法对框架结构的抗震塑性屈曲安全性能做出很好的评估。
关键词：框架结构 抗震塑性 安全性评估
随着科技进步，如今的建筑物大多采用框架结构体系，但是要求不仅能满足正常旅工和正常使用下的耐久性要求，还要满足框架结构抗震塑性屈曲安全性要求。这些要求就是结构设计的准则。文章通过分析框架结构体系在水平地震作用下的变形特点，并研究了框架结构体系震塑性屈曲安全性评估方法。
1 地震作用下的框架结构受力变形特点
框架结构体系建筑，它的受力点处于震区。一般根据对重力的垂直荷载控制的设计结构来设计较低的框架结构建筑。建筑物高度越高，长宽比越大，垂直载荷在结构设计上的影响就越重要。其次，作为即将成为一个重要的框架结构设计的控制因素，水平荷载的框架结构建筑的影响也会变得越来越大，甚至可能会起到决定性的作用。地震时，虽然框架结构体系受到的主要破坏时由水平振动引起的，但也不能忽略垂直振动。在设计过程中，我国目前采取的措施是只考虑水平振动的作用。假设下图中那个高度为H的竖向构件是一栋建筑物，那么它在地震中的受力变形特点如图1.1所示。
图中，横向力矩M=I/3qH2，水平荷载顶点侧向位移是：△=11qH4/120EI，竖向荷载产生的轴向力为N=WH，其中W代表结构的单位米质量，EI代表弯曲程度。轴向力与高度成正比是显而易见的，并且随着建筑物高度平方的增加，而弯矩是相应成正比的，而顶点位移是随着高度四次方增加而增加的。显然对于框架结构体系建筑来说，高度越高的建筑，水平振动的破坏程度越大，已经成为了框架结构体系设计的关键点了。当然，在轴力的作用下，框架柱也会产生竖向形变，这也是构成结构总变形的一部分，甚至会是结构出现整体变形的情况。图1.2很好地描述了多高层框架结构体系被水平振动破坏的情形。
2 地震灾害作用的效应分析
在受到地震作用时，框架结构体系由于其结构复杂，其效应分析的难度也变得很大。而一般建筑物的材料都有钢筋混凝土结构，它是由两种性能差别非常大的钢筋和混凝土这两种材料构成的，他们的弹塑性性能变化给研究框架体系在地震时的效应分析加大了难度。各个国家建筑界目前研究条件还不够，只能通过采用弹性理论和方法来进行研究，结果只能大概估计，这种研究成果的可靠性并不是很强，有待加强。
3 框架结构抗震塑性屈曲安全性评估方法研究现状
早在上个世纪九十年代，部分美国学者就提出了抗震屈曲安全性评估方法，这是一种基于性能的框架体系抗震安全性研究方法。为了找到科学的方法来提高框架结构体系的抗震能力，学者研究了结构从弹性变到弹塑性然后到破坏甚至倒塌的过程，研究在小震作用和大震作用时结构的弹塑性变化情况，并进行了分析。
在一般情况下，分析框架结构建筑物的震动响应和破坏现象通过利用动态时程来进行分析方法来是很理想的。但另一方面，这种方法对专业理论水平要求极高，并且数据繁冗，处理过程及其枯燥，而且建筑物结构构成复杂，地震本身随机性强，这种方法在工程中的运用并不十分广泛。
一种基于性能的框架结构体系抗震性能评估方法实用性很强，是一个强有力的工具，并且广为流传，即静态非线性分析方法，也称Pushover方法。目前全世界对这种方法在工程界的应用还处于起步阶段，我国虽然相关规范中有所提及，但是技术相当不成熟，对它的进一步研究尚在进行中，但是某些实用而且著名的结构分析软件都加入了静力非线性分析的功能，比如ETABS、SAP2000以及MIDAS等等。这种方法虽然应用不是很广泛，但是他结果精确又便于操作，以后必将在工程实践中得到广泛应用。
4 框架结构抗震塑性屈曲安全性评估方法-静力非线性分析评估方法
4.1 基本原理 用静态非线性分析方法来分析框架结构体系抗震塑性屈曲安全性的基本思路是通过建立框架结构体系在地震时的负载模型来模拟实际地震力水平作用情况时的真实框架结构体系建筑。具体操作方法是通过持续增加侧向力，是建筑物承受一定的压力而达到某个目标位移值，或者是依据建筑物倒塌来判定。并根据实验得到的数据进行处理，绘出载荷-位移曲线图，并结合已有的弹塑性反应图谱来进行综合理解，研究出框架体系抗震屈曲安全性性能快速评估的方法。总而言之，静态非线性分析的操作原理是是：在理想状况下，实际的框架结构体系相当于一个单自由度体系，要想知道框架体系在地震时的弹塑性反应的整个过程，就必须知道它的地震作用状态下的反应控制指标。这种方法是通过研究模型的弹塑性反应来反推它在地震时的控制指标，达到研究目的。
4.2 具体操作过程 以下三个环节构成了静力非线性分析方法的基本的三个部分：①建立地震水平振动时框架结构体系受力模型，并绘出其荷载-位移图；②再根据框架结构体系的弹塑性反应来反推其受水平地震时的反应控制目标值；③进行安全性评估。
4.2.1 荷载-位移图的绘制流程。①确定框架结构体系计算分析模型；②对框架结构体系模型加竖向荷载(一般是重力荷载)，再加某种水平荷载，让一个或一批构件都进入屈服状态；③对上一步已经屈服的构件，采取一定方法使其刚度矩阵改变，以及在它上面加载水平荷载直至它的形态破坏，形成新结构，如此往复，对其他的构件采取同样的操作方法；直到所有构件被改变和框架结构体系已经被破坏为止。记录这个过程中得到的所有不同荷载的反应数据，反推其弹塑性反应各过程的先后顺序；⑤绘制载荷-位移曲线。
4.2.2 模型的构建及其反推原理。要判断图上某一点是不是目标位移，就要通过上一步实验得出的荷载位移图，并转换处理框架结构体系的承载能力和外力作用来得出。查出规范设计规定的允许变形，将其与目标位移进行比较，就可以评估出框架结构体系建筑的抗震塑性屈曲安全性。这种方法的具体实施方法有目标位移法和承载力谱法两种，但它们的实质都在于用等价的单自由度来替换真实地震时的多自由度反应，来研究其在地震作用下的安全性。
目标位移发的基本过程是在修正有效刚度位移值的时候，要采取静力非线性分析法，并去一定的系数来确定目标位移。这是从美国联邦紧急救援事务署文件FEMA一273中使用过的方法，取框架结构体系顶层的最大位移作为目标位移，并进行下一步的分析。
承载力谱法是通过建立框架结构体系能力谱反应曲线和框架结构体系需求谱曲线，这是美国应用技术协会推荐使用的方法。其中框架结构体系需求曲线是用谱加速度谱位移来表示的，是由地震输入得到的标准加速度反应谱的来的，另外一条结构框架体系能力谱曲线也是用谱加速度-谱位移来表示的，但是是由荷载位移曲线进行推导。当它们处于同一坐标系下的时候，结构抗震性能点或者称为目标位移点就是两条曲线的交点。
4.2.3 对框架结构体系的安全性进行评估。框架结构体系抗震屈曲安全性评估方法有三种：①按时程分析非线性层间的位置变形，结合承载力所对应的恢复力模型，看这种位置变形是否符合设计规定；②查出框架结构体系承载力曲线上对应点的层剪力位移角，与规范规定的允许层间位移角进行比较，看是否符合设计规范；③在同一坐标下重新建立能力谱与需求谱两条曲线，根据规范规定位移允许值和其目标位移值的比较结果来验证其是否在允许变形范围内。
5 结论
本文中框架结构体系在地震作用下的安全性评估方法是不尽完善的。结构抗震是一种空间整体的行为，如今的建筑物都有填充墙，这点在本文中被忽略了。此外，框架结构体系建筑在实际的工程过程或者使用过程中除了受到水平地震的作用，还遭受着多线地震作用，而本文并没有考虑这一点，因此对框架结构体系的全面抗震性能研究还需要进一步加强。
参考文献：
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