長(zhǎng)沙中天廣場(chǎng)基于位移抗震性能的研究

肖志 蔣耀華 王勁

摘要：文章對(duì)長(zhǎng)沙中天廣場(chǎng)超限高層采用PKPM中SATWE有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，校核結(jié)構(gòu)各抗震參數(shù)是否滿足各設(shè)計(jì)規(guī)范，并采用MIDAS軟件對(duì)其進(jìn)行靜力非線性分析，通過(guò)結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性后各數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，總結(jié)出一些可用于設(shè)計(jì)的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：雙塔連廊結(jié)構(gòu)：MIDAS軟件：靜力非線性分析

1引言

目前，我國(guó)對(duì)超限高層建筑工程的研究工作還滯后于工程建設(shè)實(shí)踐，一些超限高層建筑工程很可能存在安全隱患。本文中介紹的工程為底部裙樓上部雙塔且頂部雙塔之間帶連廊的結(jié)構(gòu)。本文采用PKPM中的SATWE分析結(jié)構(gòu)的周期，扭轉(zhuǎn)不規(guī)則性，結(jié)構(gòu)位移，墻柱軸壓比，剪重比，剛重比等，分析結(jié)構(gòu)是否存在剛度或承載力突變。采用Midas程序靜力非線性(Push-over)方法分析在最大控制位移下結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段的一些抗震性能，總結(jié)出一些可用于設(shè)計(jì)的參考建議。

2工程概況

本文中著重研究的長(zhǎng)沙某工程為框架一核心筒結(jié)構(gòu)，地下3層，地上裙樓部分5層，裙樓以上為雙塔結(jié)構(gòu)，上部雙塔質(zhì)心與裙樓結(jié)構(gòu)質(zhì)心大于裙樓相應(yīng)邊長(zhǎng)20％，裙樓長(zhǎng)134.20m，寬88.18m，結(jié)構(gòu)總高度為98.6m，標(biāo)高80.55m~屋頂連接有鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)廊，連廊采用6個(gè)支座與主體結(jié)構(gòu)相連，其中滑動(dòng)支座5個(gè)，固定鉸支座一個(gè)，結(jié)構(gòu)嵌固端位于地下室頂部標(biāo)高處。地上裙樓部分為商鋪，根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》按乙類建筑進(jìn)行抗震設(shè)防設(shè)計(jì)，塔樓中左塔為酒店式公寓，右塔為辦公樓，根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》按丙類建筑進(jìn)行抗震設(shè)防設(shè)計(jì)。本工程采用2005年以前規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為||類。本工程5層以下裙樓框架、剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)，5層以上剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)，框架抗震等級(jí)為三級(jí)，與聯(lián)廊相連局部層的剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)，框架抗震等級(jí)為二級(jí)。本工程于2006年竣工，現(xiàn)已交付業(yè)主使用。

圖1、圖2給出了裙樓三層、聯(lián)廊84.150標(biāo)高平面圖，圖3給出了建筑的南立面圖，可大致了解該工程的概況。

3SATWE整體計(jì)算分析

本工程選用有限元分析計(jì)算軟件SATWE對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行了小震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)分析，計(jì)算結(jié)果表明：

3.1結(jié)構(gòu)考慮扭轉(zhuǎn)耦連的以平動(dòng)為主第一自振周期T=3.5238s，以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期為Tt為0.7558s，滿足《高規(guī)》規(guī)范，結(jié)構(gòu)周期合理，具備一定的抗扭剛度。

3.2SATWE位移計(jì)算結(jié)果中，地震作用下結(jié)構(gòu)x、Y兩個(gè)方向的頂點(diǎn)最大位移分別為18.80mm和33.20mm，最大層間角1／4032和1門896，風(fēng)荷載作用下，x、Y兩個(gè)方向的頂點(diǎn)最大位移分別為15.20mm和57.40mm，最大層間角1／5015和1／1268，符合規(guī)范1／1000的要求，說(shuō)明結(jié)構(gòu)整體剛度是合適的。

3.3SATWE計(jì)算結(jié)果樓層抗剪承載力，本層與上一層的承載力之比x向最小為0.86，Y向最小為0.74，符合規(guī)范最小0.65的要求。

4MIDAS靜力非線性(PUSh—OVer)分析

4.1結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)

本工程處在6度設(shè)防區(qū)，在MIDAS軟件中求得在豎向荷載、風(fēng)荷載及地震荷載各荷載組合下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位移、內(nèi)力等，再利用Midas中的設(shè)計(jì)模塊對(duì)結(jié)構(gòu)的梁、柱、墻進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。

4.2構(gòu)件鉸類型、恢復(fù)力模型及推覆分析水平側(cè)向力分布的選擇

靜力非線性分析法中，結(jié)構(gòu)的梁、柱均采用兩端帶塑性鉸的桿系單元，剪力墻采用墻頂和墻底帶塑性鉸的墻單元。梁采用默認(rèn)的彎曲塑性鉸M3。墻、柱采用默認(rèn)的P-M-M塑性鉸。構(gòu)件的恢復(fù)力模型采用雙線型恢復(fù)力模型，屈服后剛度取0.2倍彈性剛度。如圖4所示。

利用Midas程序，選擇結(jié)構(gòu)自振下模態(tài)分布的水平側(cè)向力對(duì)結(jié)構(gòu)作推覆分析，本文中選擇Mode2與Mode3兩種模態(tài)分布的水平力側(cè)向力對(duì)結(jié)構(gòu)作推覆分析，因結(jié)構(gòu)的第2模態(tài)Y方向平動(dòng)因子為91.39，為Y方向平動(dòng)振型，在該振型作用下節(jié)點(diǎn)20335的Y方向相對(duì)位移最大，故在第2模態(tài)側(cè)向力分布下的結(jié)構(gòu)Push-over分析以節(jié)點(diǎn)20335作為控制點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的第3模態(tài)x方向平動(dòng)因子為97.36，為X方向平動(dòng)振型，在該振型作用下節(jié)點(diǎn)19817的X方向相對(duì)位移最大，故在第3模態(tài)側(cè)向力分布下的結(jié)構(gòu)Push-over分析以節(jié)點(diǎn)19817作為控制點(diǎn)。Push-over分析中采用位移控制，控制節(jié)點(diǎn)最大位移為0.8m。

4.3最大控制位移下結(jié)構(gòu)抗震性能結(jié)果分析

因隨著控制點(diǎn)位移的增大，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段的程度更深，將出現(xiàn)更多塑性鉸，現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)梁、柱、墻塑性鉸的數(shù)量、空間分布位置進(jìn)行分析，總結(jié)規(guī)律。

4.3.1各模態(tài)側(cè)向力下控制點(diǎn)位移最大時(shí)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件塑性鉸豎向分布

取各層已分配的梁、墻、柱單元的塑性鉸總數(shù)為分母，各類型單元各狀態(tài)下鉸的數(shù)目作為分子，可求得各情況下塑性鉸所含的比例，并對(duì)其比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。分析結(jié)果如下：

a)梁鉸分布

結(jié)構(gòu)梁?jiǎn)卧诳刂乒?jié)點(diǎn)推覆達(dá)到最大位移步驟時(shí)基本處在彈性階段，出現(xiàn)梁端塑性鉸的桿件較少。除裙樓以外的上部標(biāo)準(zhǔn)層梁端出現(xiàn)塑性鉸的桿件所占比例各層相差不大，無(wú)梁薄弱層，這與梁主要承受豎向荷載，且標(biāo)準(zhǔn)層各層的豎向荷載、梁?jiǎn)卧孛娲笮∨c配筋幾乎相同有關(guān)。

b)墻鉸分布

結(jié)構(gòu)墻單元在控制節(jié)點(diǎn)推覆達(dá)到最大位移步驟時(shí)進(jìn)入塑性階段的較多，詳見(jiàn)圖5、圖6。其中地下3層～第5層局部墻端鉸進(jìn)入塑性階段較深，R／R屈>6塑性鉸數(shù)量已經(jīng)超過(guò)10％，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)底部墻由豎向荷載及墻傾覆彎矩產(chǎn)生的軸力較大，在較大軸力、彎矩共同作用下形成P-M-M鉸，但從第4層一地下3層各層非彈性鉸出現(xiàn)比例可以看出，在非彈性墻鉸占各層所定義墻鉸總數(shù)的比例上，地下三層較地上四層裙樓部分要少，這是因?yàn)榈叵氯龑迂Q向構(gòu)件墻、柱的側(cè)向位移受到土壓力的約束作用，雖地下三層的軸力較上層要大，但是其水平位移受到約束，彎矩小，這就造成軸力、彎矩共同作用下形成P-M-M鉸較地上幾層比例要少。另外結(jié)構(gòu)在第23層(與鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)廊底部相連的下一層)墻端塑性鉸出現(xiàn)較多，進(jìn)入塑性階段較深，進(jìn)入塑性階段(R，R屈，1)的墻鉸已達(dá)到所定義墻鉸總數(shù)的21.1％，結(jié)構(gòu)在此層集中出現(xiàn)塑性鉸應(yīng)與結(jié)構(gòu)在此層以上連接有鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)廊，出現(xiàn)質(zhì)量突變有關(guān)。

c)柱鉸空間分布分析

控制節(jié)點(diǎn)位移最大時(shí)柱端出現(xiàn)塑性鉸很少，只有在與聯(lián)廊底層相連層少數(shù)柱、塔樓底層少數(shù)柱底出現(xiàn)塑性鉸，詳見(jiàn)圖7、圖8。

4.3.2各模態(tài)側(cè)向力下控制點(diǎn)位移最大時(shí)結(jié)構(gòu)梁塑性鉸各層平面分布

在兩種模態(tài)側(cè)向力推覆下，兩端出現(xiàn)塑性鉸的梁?jiǎn)卧剂簡(jiǎn)卧倲?shù)的比例少，且結(jié)構(gòu)中的次梁基本處在彈性階段。分析結(jié)果中梁塑性鉸的各層平面分布規(guī)律如下：

a)與核心筒剪力墻相連的主梁出鉸較多：

b)核心筒中的連梁出鉸較多；

c)連接結(jié)構(gòu)周邊的框架柱的梁出鉸較多：

d)裙樓屋頂(第5層)與核心筒相連的梁出鉸較多。

5對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的建議

以上采用靜力非線性分析(Push-over)方法對(duì)結(jié)構(gòu)的彈塑性進(jìn)行了分析，總結(jié)了結(jié)構(gòu)在控制節(jié)點(diǎn)位移達(dá)到最大時(shí)結(jié)構(gòu)抗震性能上的一些規(guī)律，以下就己總結(jié)的規(guī)律對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出一些可供參考的建議：

5.1豎向構(gòu)件中的柱與剪力墻相比，更多的塑性鉸出現(xiàn)在剪力墻兩端，剪力墻為主要的抗側(cè)向力構(gòu)件，為抗震中的第一道防線，故更多得提高剪力墻的設(shè)計(jì)配筋是十分必要的。

5.2因與聯(lián)廊底部相連層的剪力墻為承載力相對(duì)薄弱層，故應(yīng)適當(dāng)加大該層剪力墻的配筋，提高其強(qiáng)度、延性。

5.3雖地下層的豎向構(gòu)件的水平位移受到土側(cè)壓力的約束，但結(jié)構(gòu)核心筒部分的剪力墻在P—M—M共同作用下仍會(huì)出現(xiàn)塑性鉸，建議地下部分的剪力墻仍應(yīng)按剪力墻加強(qiáng)部位的要求設(shè)計(jì)。

5.4加強(qiáng)核心筒中連梁的抗彎承載力，提高其延性，這有利于結(jié)構(gòu)的抗震耗能。

5.5連接核心筒與核心筒周邊柱的梁承載力應(yīng)加強(qiáng)，使其不過(guò)早、過(guò)甚的進(jìn)入塑性階段，這有利于結(jié)構(gòu)的框架部分與剪力墻部分共同協(xié)作工作。

5.6連接結(jié)構(gòu)外圍柱的主框架梁易進(jìn)入塑性階段，其承載力應(yīng)加強(qiáng)。