采用SAUSAGE软件进行工业厂房大震弹塑性分析

工业厂房弹塑性分析的必要性

工业厂房因工艺需要，经常出现楼板局部大开洞，大面积夹层或相邻单体高度差异大，结构扭转不规则，上下层刚度突变或者承载力突变，局部出现跃层柱或短柱等情况，工业厂房类建筑由于其结构本身的特点使得其抗震能力存在薄弱部位。

《建筑结构抗震规范》（以下简称“抗规”）第3.6.2条规定，不规则且具有明显薄弱部位可能导致重大地震破坏的建筑结构，应按本规范有关规定，进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。因而对于工业厂房结构，进行罕遇地震下的弹塑性分析是很有必要的。

SAUSG软件是目前国内进行复杂超限项目弹塑性分析的首选软件，已经在国内数百个工程项目中得到了应用。软件可以直接读取PKPM、YJK、MIDAS、ETABS、SAP2000等软件建立的模型数据文件，不需要重新进行模型处理。提供丰富的地震波库，方便按照规范要求进行选波。可以根据所选的地震动一键生成弹塑性分析工况，可以通过GPU并行计算技术显著提升弹塑性分析的计算效率，同时采用显式算法进行求解，解决非线性分析不容易收敛的问题。后处理提供了楼层剪力、层间位移等整体指标以及混凝土损伤、钢材塑性应变以及构件性能等结果，方便用户对结构的抗震性能进行评价。程序还提供了丰富详尽的超限报告，大幅节省用户整理计算报告的时间。

弹塑性分析基本流程

图1 大震弹塑性分析流程

1.导入模型

工程师一般先对厂房结构中进行小震分析（PKPM、YJK、MIDAS、ETABS、SAP2000），保证结构满足小震作用下的结构层间位移角、构件承载力、挠度等各项指标控制要求。

利用SAUSG软件提供的各种接口导入模型，导入时各项参数说明可以参见SAUSG用户手册。一般情况下可以按照默认设置，不需进行处理。

2.模型检查

模型导入以后，应该对模型中构件的材料、截面、荷载、边界条件等进行检查，保证参数设置与小震模型一致。检查无误后还可以通过结构的质量和周期进行评价，以保证大震弹塑性分析模型与小震模型的一致性，一般应该保证结构质量和周期误差控制在5%以内。

3.选取地震动

根据《抗规》表5.1.4-2中规定的特征周期，并在此基础上增加0.05s作为大震弹塑性分析用的特征周期，据此在SAUSG软件中选择相应的地震波库。设置好相应的选波条件，以及要选取的天然波和人工波数量以后，利用程序的自动筛选地震动功能，即可选出满足规范要求的地震动。

4.大震弹塑性分析

程序根据所选地震动可以自动生成弹塑性分析工况，用户可以根据实际情况设置如下参数：是否考虑几何非线性；选择阻尼模型、振型个数以及阻尼比；初始荷载要考虑的工况；主方向、次方向以及竖直方向的峰值加速度；地震动的加载角度等参数。参数设置完成之后即可进行弹塑性分析。

5.抗震性能评价

弹塑性分析结束以后，即可根据软件分析结果对结构进行抗震性能评价。用户应重点关注如下指标参数：层间位移角、楼层剪力、构件混凝土损伤、钢材塑性应变以及构件性能水平等，确保结构满足概念设计要求以及抗震性能目标要求，同时不存在明显的薄弱部位。如果不满足则应对结构或构件进行处理或加强。

6.整理计算报告

程序自动生成的报告中包含了模型基本信息、模态分析结果、地震动筛选结果、楼层剪力和层间位移角等整体指标，能量图及附加阻尼比、构件混凝土损伤、钢筋和钢材塑性应变以及构件性能水平以及竖向构件的抗剪截面验算等内容。用户可以在此基础上对报告进行编辑和补充。

工程案例

某工业厂房如图2所示，整体采用框架-支撑结构体系，结构采用混凝土框架柱，主梁为混凝土材料，次梁采用型钢梁，支撑为钢材。

左（a）PKPM 右 (b) SAUSG

图2 模型图

模型存在多项不规则，包括：上下楼层质量比超过1.5、楼层竖向刚度不规则、楼层抗剪承载力不规则、结构扭转位移比超过1.5（特殊不规则）、楼板局部不连续、竖向构件不连续等情况，应进行罕遇地震下的弹塑性分析。

工业厂房与普通的民用建筑相比，其荷载工况比较复杂，模型导入以后应首先检查荷载工况以及相关参数的设置情况（图3~图4）。自定义荷载工况的重力荷载代表值系数导入后需要重新定义。

左（a）PKPM 右 (b) SAUSG

图3 自定义工况

左（a）PKPM 右(b) SAUSG

图4 自定义工况荷载

对比结构自重，PKPM中质量为36332t（图5）。SAUSG软件中重力荷载代表值作用下的支座反力为371860kN（图6），折合质量为37186t，扣除钢筋质量600t，则结构质量为36586t，与PKPM误差为0.7%，可以认为二者基本一致。

图5 PKPM结构质量

图6 SAUSG软件支座反力（重力荷载代表值）

结构罕遇地震作用下的特征周期为0.45s，将该特征周期下的地震动作为备选地震动，按照规范要求的选波条件（图7）选择三条地震动（两条天然波和一条人工波），选波结果如图8所示。

图7 自动筛选地震动

图8 地震动筛选结果

根据所选地震动定义大震弹塑性分析工况（图9），并进行分析。

图9 动力弹塑性分析工况

结构在罕遇地震作用下的层间位移角结果如图10所示，X向层间位移角最大值为1/64，满足规范限值要求。结构Y向层间位移角最大值为1/38，超过规范限值要求。最大层间位移角发生在第5层，定位到模型中，该处为排架。通过自定义层间位移角位置，扣除排架所在位置以后，Y向层间位移角最大值为1/71，满足规范要求。