某超限高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析研究

李建榮 高 群 孫業(yè)華

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330031)

某超限高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析研究

李建榮 高 群 孫業(yè)華

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330031)

對(duì)某超限高層建筑在罕遇地震下結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性響應(yīng)特性進(jìn)行了分析，研究了結(jié)構(gòu)在大震下關(guān)鍵部位構(gòu)件塑性發(fā)展情況及破壞特征，評(píng)估了在大震下結(jié)構(gòu)的抗震安全性能，對(duì)工程抗震設(shè)計(jì)提出了合理化建議。

超限高層建筑，動(dòng)力彈塑性，抗震設(shè)計(jì)

1 工程概況

某工程位于南昌市，由一棟58層超高層辦公樓、一棟25層高層辦公樓以及4層商業(yè)廣場(chǎng)組成(見圖1)；其中，超高層辦公樓屋面標(biāo)高為249.7 m，檐口高度為271.9 m，平面尺寸為43.8 m×43.8 m，結(jié)構(gòu)采用框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系，屬超B級(jí)高度高層建筑，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]第3.11.4條：高度超過200 m時(shí)，應(yīng)采用彈塑性時(shí)程分析方法進(jìn)行計(jì)算。本工程超限情況：1)房屋高度超B級(jí)高度超高18.9%，屬于超B級(jí)高度的高層建筑；2)結(jié)構(gòu)Y方向上部樓層收進(jìn)后的水平尺寸小于下部樓層水平尺寸的75%，屬豎向不規(guī)則。

2 彈塑性時(shí)程分析

2.1 計(jì)算模型

本工程采用Midas Building 2013軟件進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析計(jì)算，結(jié)構(gòu)模型考慮了幾何非線性、材料非線性等，考察結(jié)構(gòu)在大震下的塑性變形能力和耗能能力。

1)材料本構(gòu)關(guān)系[2]?；炷帘緲?gòu)關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]附錄C中的單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)模型；鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用雙折線本構(gòu)模型;剪切本構(gòu)關(guān)系采用三折線模型。

2)滯回模型[2]?；炷量蚣苤?、梁使用具有非線性鉸特性的梁柱單元，滯回模型采用集中鉸模型，梁鉸采用修正武田三折線模型，柱鉸采用隨動(dòng)硬化三折線模型；非線性混凝土剪力墻單元采用纖維模型。

2.2 計(jì)算方法

對(duì)于結(jié)構(gòu)非線性運(yùn)動(dòng)方程采用Newmark-β直接積分方法，數(shù)值計(jì)算運(yùn)用完全牛頓—拉普森法(Newtom-Raphson)進(jìn)行迭代收斂計(jì)算直至滿足收斂條件，考慮P—Δ效應(yīng)的影響，采用瑞利阻尼計(jì)算結(jié)構(gòu)的阻尼比。

2.3 地震波的選擇

本工程抗震設(shè)防烈度6度，Ⅱ類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震第一組，地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告給出大震下特征周期Tg=0.45 s，罕遇地震下選取了3條地震波(由安評(píng)報(bào)告及某地震波專業(yè)公司提供。其中有2條天然波L0523,L0640，1條人工波L645-2)，地震波時(shí)間間距0.02 s，輸入地震波峰值加速度最大值為125 cm/s2，結(jié)構(gòu)初始阻尼比取0.05；地震波加速度反應(yīng)譜曲線與抗震規(guī)范反應(yīng)譜比較見圖2(限于篇幅僅給出L0523的情況)。

3 彈塑性時(shí)程結(jié)果損傷分析及性能評(píng)價(jià)

3.1 彈塑性結(jié)果整體評(píng)價(jià)

結(jié)構(gòu)在大震地震波(L0523較為不利狀態(tài))作用下，在X,Y兩個(gè)方向上結(jié)構(gòu)彈塑性最大層間位移角分別為1/318,1/315；均滿足規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)薄弱層彈塑性層間位移角限值均小于1/100的規(guī)定。在初始荷載的作用下，外框架柱、框架梁及核心筒剪力墻均處于彈性狀態(tài)；在大震地震波作用下，大部分外圍框架柱、梁基本上保持不屈服狀態(tài)，部分框架柱鉸、框架梁鉸進(jìn)入壓彎開裂而不屈服狀態(tài)，屬輕微塑性變形，少部分的豎向收進(jìn)部位框架梁進(jìn)入屈服及屈服后狀態(tài)；底部加強(qiáng)區(qū)核心筒外圍剪力墻均處于不屈服狀態(tài)。說明該結(jié)構(gòu)可以滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

3.2 結(jié)構(gòu)的損傷破壞情況及性能評(píng)價(jià)

下面以較不利情況(天然波L0523作用下)為例，對(duì)構(gòu)件性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1)框架塑性鉸狀態(tài)。框架柱塑性鉸隨著地震波時(shí)間的增長，其塑性鉸由頂部向下部發(fā)展情況越來越明顯。圖3給出了外框架柱在地震波作用下發(fā)生最大層間位移角時(shí)刻(X向)塑性鉸的發(fā)展情況，總體上約51%的框架柱鉸進(jìn)入壓彎開裂而不屈服狀態(tài)，屬輕微塑性變形，未見有框架柱達(dá)到屈服狀態(tài)；圖4給出了框架梁在發(fā)生最大層間位移角時(shí)刻(Y向)塑性鉸的發(fā)展情況，大部分的框架梁鉸進(jìn)入開裂而不屈服狀態(tài)；僅中上部豎向收進(jìn)處約4.6%的框架梁進(jìn)入屈服或屈服后狀態(tài)，未見有框架梁達(dá)到極限狀態(tài)。

2)核心筒剪力墻損傷狀態(tài)。由圖5可以看出核心筒剪力墻在地震波作用下發(fā)生最大層間位移角時(shí)刻混凝土剪切應(yīng)變損傷情況：大部分剪力墻剪切應(yīng)變處于不屈服狀態(tài)；僅約2.1%墻肢達(dá)到屈服及屈服后狀態(tài)，約0.3%剪力墻混凝土剪切應(yīng)變達(dá)到極限剪切破壞狀態(tài)，該部分主要集中在中上部樓層與連梁相互作用比較明顯的墻肢邊緣、局部剛度突變和應(yīng)力集中等原因引起，整個(gè)核心筒剪力墻中的鋼筋未出現(xiàn)屈服；核心筒連梁僅約20%連梁混凝土剪切應(yīng)變達(dá)到極限剪切破壞狀態(tài)，整個(gè)核心筒連梁中的鋼筋約0.3%出現(xiàn)屈服，其他均處于彈性狀態(tài)。說明連梁在大震下起到了“保險(xiǎn)絲”的作用，先于墻肢破壞而后進(jìn)入耗能階段，可認(rèn)為大震下核心筒整體性能良好。

4 結(jié)語

通過對(duì)本超限高層框架—核心筒結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下彈塑性時(shí)程分析，可以得出如下結(jié)論：1)在罕遇地震下結(jié)構(gòu)彈塑性最大層間位移角均小于1/100，滿足規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)薄弱層彈塑性層間位移角限值規(guī)定，滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。結(jié)構(gòu)連梁首先出現(xiàn)剪切破壞，結(jié)構(gòu)整體剛度開始減弱，結(jié)構(gòu)進(jìn)入耗能階段；隨著結(jié)構(gòu)損傷不斷累積，部分框架也出現(xiàn)輕微的塑性而進(jìn)入耗能階段，核心筒外圍剪力墻基本處于不屈服階段，僅核心筒內(nèi)分隔墻局部進(jìn)入塑性；說明結(jié)構(gòu)滿足有多道抗震防線的設(shè)計(jì)要求。2)通過對(duì)框架梁柱出鉸順序及剪力墻損傷狀態(tài)分析，可以對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱位置提出合理的加強(qiáng)措施：a.為提高外框架柱抗震承載能力的延性，地下2層～地上16層采用了型鋼混凝土柱；b.在豎向收進(jìn)層處，提高相鄰上下層剪力墻的邊緣構(gòu)件的配筋率和水平、豎向分布筋的配筋率。

[1] JGJ 3-2010，高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.結(jié)構(gòu)大師非線性分析技術(shù)手冊(cè)[Z].2013.

[3] GB 50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Research on dynamic elastic-plastic analysis of the overrun high-rise building

LI Jian-rong GAO Qun SUN Ye-hua

(China Ruilin Engineering Technology Co., Ltd, Nanchang 330031, China)

The paper analyzes dynamic elastic-plastic response of the overrun high-rise building under rare earthquake, studies plastic developing conditions and damage features of critical structural parts, evaluation of the seismic safety performance of the structure under large earthquake, and finally puts forward rational seismic design suggestions.

overrun high-rise building, dynamic elastic-plastic analysis, seismic design

1009-6825(2014)36-0029-02

2014-10-12

李建榮(1972- )，男，高級(jí)工程師,國家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師； 高 群(1968- )，女，工程師； 孫業(yè)華(1980- )，男，碩士，高級(jí)工程師，國家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師

TU313

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