合肥華潤中心動(dòng)力彈塑性分析

邵建偉

(香港華藝設(shè)計(jì)顧問(深圳)有限公司，廣東深圳 518031)

1 工程概況

合肥華潤中心項(xiàng)目是一個(gè)綜合商業(yè)辦公建筑群，占地60 419 m2。擴(kuò)大地下室共3層，長278m，寬206m，埋深約15.4m。地上裙房6層，西面2號(hào)塔樓地上44層，結(jié)構(gòu)高度 178.6 m，建筑面積85 268.3 m2。東面1號(hào)塔樓地上56層，結(jié)構(gòu)高度250 m，建筑面積126 352.9 m2。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，抗震設(shè)防烈度7度，基本地震加速度為0.10g，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震設(shè)防類別裙房頂層以下為乙類，裙房以上為丙類。

本結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

1)1號(hào)塔樓為超過規(guī)范規(guī)定B級(jí)高度復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，2號(hào)塔樓為超過規(guī)范規(guī)定A級(jí)高度復(fù)雜高層結(jié)構(gòu);

2)2號(hào)塔樓在22層和36層位置下部部分核心筒結(jié)構(gòu)墻轉(zhuǎn)換成上部框架柱;1號(hào)塔樓在40層下部部分核心筒結(jié)構(gòu)墻轉(zhuǎn)換成上部框架柱;

3)1號(hào)塔樓1層～37層層高4.2 m(與裙房相連的幾層及設(shè)備層除外)，41層以上標(biāo)準(zhǔn)層層高3.6 m，中間38層～40層層高7 m用于酒店大堂，41層樓層核心筒外無樓板導(dǎo)致部分框架柱一個(gè)方向計(jì)算長度為14 m。

2 結(jié)構(gòu)彈塑性模型建立

本次動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析采用Computer and Structures，Inc的三維非線性結(jié)構(gòu)分析軟件Perform3D，通過地震反應(yīng)后抗震“能力”與地震目標(biāo)性能“需求”的比較來判斷結(jié)構(gòu)是否滿足結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的要求。在本結(jié)構(gòu)的彈塑性分析過程中，考慮了幾何非線性及材料非線性的影響。

1)材料本構(gòu)。

Perform3D模型中采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型模擬鋼筋和鋼材，混凝土材料軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表4.1.3取值，不考慮混凝土的受拉承載力。保守考慮，不考慮混凝土截面內(nèi)橫向箍筋的約束效應(yīng)，采用規(guī)范建議的素混凝土參數(shù)。

2)結(jié)構(gòu)單元選取。

本工程分析中，利用纖維墻元模擬剪力墻、在桿單元設(shè)置集中塑性鉸來模擬框架柱、連梁和框架梁的工作性能。剪力墻墻元混凝土纖維被分成6根纖維單元，分布鋼筋被分成3根纖維單元，分布鋼筋的面積通過配筋率來考慮。本結(jié)構(gòu)底部采用了型鋼混凝土柱，上部采用混凝土柱，柱構(gòu)件的PMM塑性鉸屬性通過CSICol截面設(shè)計(jì)器計(jì)算所得，配筋根據(jù)小震和中震計(jì)算結(jié)果中配筋較大值計(jì)算得到。通過在框架柱端部設(shè)置PMM鉸，可以準(zhǔn)確模擬去柱受彎屈服工作性能。采用SAP2000截面設(shè)計(jì)器計(jì)算截面的彎矩曲率屬性，然后輸入Perform3D中進(jìn)行桿件塑性鉸屬性定義，即分別在梁的兩端設(shè)置彎矩鉸和梁中部設(shè)置剪切鉸?？蚣芰褐饕紤]主軸M鉸，根據(jù)上述方法得到彎矩曲率屬性后在梁兩端設(shè)置彎矩鉸。

3)性能水準(zhǔn)及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

ATC-40將所有構(gòu)件的力—位移模型歸納為四個(gè)階段，即彈性段(AB)、強(qiáng)化段(BC)、卸載段(CD)、破壞段(DE)?；炷翗?gòu)件的性能點(diǎn)IO，LS，CP對(duì)應(yīng)的彈塑性位移(橫坐標(biāo))和力(縱坐標(biāo))的限值均來自ATC-40。本次分析以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形能力小于規(guī)定的CP狀態(tài)為目標(biāo)，結(jié)構(gòu)變形能力參考最新的中國規(guī)范和ASCE41-06，分別設(shè)置各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件從IO狀態(tài)到CP狀態(tài)各階段的性能水準(zhǔn)。

4)地震波工況輸入。

重力荷載工況與地震波的輸入分兩步進(jìn)行:a.激活P-Δ按鈕，施加重力荷載代表值;b.輸入地震波時(shí)，依次選取結(jié)構(gòu)X向或Y向作為主方向，另一個(gè)為次方向，分別輸入三組地震波的兩個(gè)分量記錄進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，峰值按GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定取220 gal。主方向和次方向輸入地震峰值按1∶0.85 進(jìn)行調(diào)整。

3 動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果

3.1 模型校核

在Perform3D中包含了所有主要的抗側(cè)力構(gòu)件如核心筒、連梁、型鋼柱和框架鋼梁。在非線性分析之前，比較了Perform3D，Etabs以及Satwe模型的荷載、質(zhì)量、基本周期和振型。各程序的計(jì)算結(jié)果均比較接近，誤差在工程允許的范圍內(nèi)，如表1所示。

表1 Satwe，Etabs，Perform3D 計(jì)算模型校核

3.2 剪力比較

由表2可以看出，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的基底剪力約為多遇地震工況的5倍～6倍，結(jié)構(gòu)基底剪力在一個(gè)比較合理的水平，表明結(jié)構(gòu)的剛度配置比較合理。在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的剛度存在一定的退化，但退化程度不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基底剪力相應(yīng)減小。

表2 罕遇地震作用下基底剪力對(duì)比

3.3 變形分析

表3 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)變形情況對(duì)比

由表3可以看出，1號(hào)塔樓最大頂點(diǎn)位移為1 322mm，約為全樓高度的1/189，而2號(hào)塔樓最大頂點(diǎn)位移為834 mm，約為全樓高度的1/213，由此可以看出結(jié)構(gòu)具有較好的彈塑性變形能力。兩個(gè)塔樓的最大層間位移角均小于1/100，滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生較大的彈塑性變形，在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生脆性坍塌破壞。

3.4 結(jié)構(gòu)損傷情況

罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程響應(yīng)歷程如下:1)結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生的最初一段時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)為彈性;2)中部部分連梁開始發(fā)生塑性轉(zhuǎn)動(dòng);3)部分樓面梁出現(xiàn)屈服，大部分連梁出現(xiàn)塑性轉(zhuǎn)動(dòng);4)中部墻柱轉(zhuǎn)換位置框架柱出現(xiàn)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)，核心筒頂部少量墻體受拉開裂;5)底部核心筒墻體以及中部墻柱轉(zhuǎn)換位置剪力墻局部開裂;6)頂部少數(shù)柱出現(xiàn)受拉損傷，多數(shù)柱保持彈性;7)大部分連梁塑性進(jìn)入屈服狀態(tài);8)墻體開裂進(jìn)一步發(fā)展，底部約束區(qū)墻體部分鋼筋屈服。下面將列舉部分計(jì)算結(jié)果來反映在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件受力狀態(tài)。

從圖1可以看出，剪力墻混凝土受拉開裂發(fā)展較為均勻，剪力墻受力較大的位置在結(jié)構(gòu)底部、結(jié)構(gòu)墻柱轉(zhuǎn)換位置、中部酒店大堂附近樓層及結(jié)構(gòu)頂部;整體鋼筋應(yīng)力不大，只有底部少量墻體以及中上部酒店大堂附近樓層鋼筋受拉屈服，總體來說，核心筒墻體基本不出現(xiàn)受壓損傷和剪切破壞，核心筒墻體滿足性能水準(zhǔn)目標(biāo)。

結(jié)構(gòu)中部部分剪力墻出現(xiàn)無損傷主要原因在于該位置剪力墻厚度從下部700 mm變化到400 mm，而且下面3層還設(shè)置部分型鋼(結(jié)構(gòu)層高從7 m變化到4.6 m，為了滿足規(guī)范規(guī)定的樓層剛度比要求而設(shè)置)，該位置下部墻比上部墻剛度較大。另外，結(jié)構(gòu)中部墻柱轉(zhuǎn)換位置是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，轉(zhuǎn)換的剪力墻均出現(xiàn)少量的受拉屈服和受剪屈服，應(yīng)加強(qiáng)該部分的抗震構(gòu)造措施。

從圖2可以看出，塔樓頂層部分柱構(gòu)件由于軸壓力較小，會(huì)出現(xiàn)受拉屈服，但拉應(yīng)力相對(duì)較小，構(gòu)件塑性發(fā)展程度較輕，只進(jìn)入LS階段;在中部酒店大堂樓層以上兩層，由于層高、柱截面變化以及柱內(nèi)型鋼取消，部分框架柱進(jìn)入CP狀態(tài);結(jié)構(gòu)中部墻柱轉(zhuǎn)換位置，隨著大部分連梁和框架梁出現(xiàn)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)，該位置的框架柱比其他位置較早地出現(xiàn)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)，但塑性發(fā)展較輕，該位置框架柱沒有進(jìn)入CP狀態(tài)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意樓層剛度變化對(duì)框架柱受力的影響，加強(qiáng)配筋。

圖1 1號(hào)塔樓X向場(chǎng)地波—作用下X向剪力墻塑性發(fā)展歷程

圖2 1號(hào)塔樓X向場(chǎng)地波一作用下框架柱塑性發(fā)展情況

4 結(jié)語

通過對(duì)合肥華潤中心兩個(gè)塔樓的Perform-3D動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，可以得到以下結(jié)論:

1)用于抗震性能化設(shè)計(jì)的彈塑性Perform-3D模型與小震彈性模型比較吻合，Perform3D彈塑性模型能夠比較準(zhǔn)確的模擬結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的工作性能。

2)塔樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件在大震作用下大多處于IO階段，多數(shù)連梁能進(jìn)入彈塑性階段耗散地震能量，主要抗側(cè)力構(gòu)件均沒有出現(xiàn)脆性破壞，結(jié)構(gòu)的整體性能滿足防止倒塌(CP)的要求，達(dá)到設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

3)結(jié)構(gòu)最大層間位移角滿足1/100的限值，結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。

［1］ GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ 楊先橋.深圳平安金融中心塔樓動(dòng)力彈塑性分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011(7):9-11.

［3］ 郭 健.某雙塔大底盤超限高層動(dòng)力彈塑性分析［J］.江蘇建筑，2012(1):51-53.

［4］ 阮小東.深圳城建集團(tuán)觀瀾項(xiàng)目超限高層住宅動(dòng)力彈塑性分析［J］.廣東建筑與土木，2010(10):81-83.