大連星海灣金融商務(wù)區(qū)XH-17、XH17-2地塊超高層結(jié)構(gòu)彈塑性動力時程分析

文/謝雷 大連都市發(fā)展設(shè)計有限公司 遼寧大連 116011

大連星海灣金融商務(wù)區(qū)XH-17、XH17-2地塊超高層結(jié)構(gòu)彈塑性動力時程分析

文/謝雷 大連都市發(fā)展設(shè)計有限公司 遼寧大連 116011

采用PERFORM-3D分析軟件選取一組人工波，兩組天然波對一超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的動力彈塑性分析，從而預(yù)測出整體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的變形性能和破壞情況，對不滿足結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的薄弱位置通過設(shè)置型鋼和增加配筋的方式增加薄弱豎向構(gòu)件的承載力和延性，保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的安全性。

超高層結(jié)構(gòu);罕遇地震;彈塑性分析

1 工程概況

大連星海灣金融商務(wù)區(qū)超高層項目地上49層，結(jié)構(gòu)高度為195.7m。地上1～3層層高分別為6m、5.4m、5.4m，4～49層標(biāo)準(zhǔn)層層高3.8m。

該工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第二組，設(shè)計基本地震加速度為0.1g，50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.65Kpa，地面粗糙度為B類。

2 結(jié)構(gòu)體系

該工程結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。平面尺寸為43.6mx35.7m，標(biāo)準(zhǔn)層外圈梁高統(tǒng)一為750mm，內(nèi)部主梁梁高650mm，次梁600mm，外圈墻厚為900～500mm，內(nèi)部墻厚為300～200mm。

3 超限分析

本工程為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，高度超過《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]中框架-核心筒結(jié)構(gòu)B級高度的最大適用高度180m，屬于超B級高層。

平面形狀為長方形，最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.24，樓板一層不連續(xù)，偏心率大于15%，屬平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

本工程一層有4根穿層柱，屬豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

4 彈塑性分析軟件介紹

PERFORM-3D三維結(jié)構(gòu)非線性分析與性能評估軟件，是一個用于抗震設(shè)計的非線性計算軟件。通過基于變形或強(qiáng)度的限制狀態(tài)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析。PERFORM-3D是以結(jié)構(gòu)工程概念為基礎(chǔ)，根據(jù)美國現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行基于性能的抗震設(shè)計與評估。

5 混凝土本構(gòu)關(guān)系

本文采用的混凝土本構(gòu)模型是《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[2]附錄C中混凝土多軸強(qiáng)度和本構(gòu)關(guān)系中的單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。PERFORM-3D采用的五折線混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線。

6 鋼材模型

鋼筋本構(gòu)模型：骨架曲線采用二折線本構(gòu)模型。

7 單元模型理論

本結(jié)構(gòu)模型采用纖維梁柱單元及剪力墻單元。

（1）梁、柱纖維截面

普通混凝土梁（連梁）構(gòu)件采用兩端為彎矩塑性鉸，中間為彈性桿系的模型來模擬梁的非線性行為。鋼筋混凝土梁的屈服狀態(tài)確定以邊緣鋼筋的應(yīng)變達(dá)到時為標(biāo)志，其破壞狀態(tài)以混凝土應(yīng)變達(dá)到混凝土的極限應(yīng)變時為標(biāo)志。

柱采用塑性區(qū)彈性桿系拼接形成單元。本結(jié)構(gòu)柱采用二維纖維單元模擬，程序通過材料的本構(gòu)關(guān)系自動確定截面的塑性。

（2）纖維剪力墻單元

PERFORM-3D的剪力墻單元是四節(jié)點單元，剪力墻的纖維截面為一維纖維截面。剪力墻平面外抗彎、平面外抗剪、抗扭等本構(gòu)屬于彈簧本構(gòu)。如果剪力墻與相鄰的梁的連接為剛性連接，需要建立內(nèi)置剛臂連接。

8 地震作用與地震波選取

輸入的地震加速度時程曲線分別采用了人工加速度時程曲線xxtd（超越概率 2%）、實際地震記錄天然波A10、A18波。時程分析時主分量峰值加速度取220 cm/s2。

9 結(jié)構(gòu)大震性能目標(biāo)選取

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中3.11節(jié)的規(guī)定，結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)基本滿足C目標(biāo)，大震下結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)基本滿足水準(zhǔn)4。

10 彈塑性分析模型

a)分析設(shè)置

彈塑性時程分析前先進(jìn)行重力荷載分析。彈塑性時程分析步長為0.02s。結(jié)構(gòu)采用瑞利阻尼，第一周期取0.9T1，第二周期取0.2T1。結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05。

b) 結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)結(jié)果

時程分析時，采用雙向地震波的輸入，峰值加速度在主次方向的比值均為1:0.85，分析所得位移角結(jié)果為：人工波X方向1/228，Y方向1/222；A10波X方向1/282，Y方向1/224；A18波X方向1/241，Y方向1/249。

基底剪力結(jié)果為：人工波X方向50950KN，Y方向67221KN；A10波X方向53883KN，Y方向65337KN；A18波X方向51242KN，Y方向62711KN。與CQC小震規(guī)范基底剪力之比分別為：人工波X方向3.9，Y方向4.9；A10波X方向4.1，Y方向4.7；A18波X方向3.9，Y方向4.5。

分析結(jié)果表明，X、Y方向均進(jìn)入了彈塑性階段，X方向進(jìn)入塑性程度較Y方向略大，相應(yīng)的非線性耗能增大。

c）構(gòu)件抗震性能評估

罕遇地震下大部分梁構(gòu)件進(jìn)入較強(qiáng)的彈塑性階段，僅局部墻及柱構(gòu)件鋼筋進(jìn)入屈服狀態(tài)，沒有豎向構(gòu)件進(jìn)入極限狀態(tài)，基本滿足罕遇地震作用下水準(zhǔn)4的性能目標(biāo)。

d）關(guān)鍵構(gòu)件彈塑性受剪截面驗算

采用PERFORM 3D進(jìn)行罕遇地震作用彈塑性時程分析，將底層剪力墻的最大剪力與規(guī)范規(guī)定的受剪承載力進(jìn)行比較。主要墻肢受剪承載力均滿足規(guī)范要求。

11 結(jié)論

結(jié)合性能分析軟件PERFORM-3D，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維彈塑性分析。分析結(jié)果說明：

（1）建筑結(jié)構(gòu)體系在罕遇地震作用下整體變形為1/222，小于1/100，滿足規(guī)范要求；

（2）根據(jù)塑性鉸發(fā)展情況，大量的連梁及框架梁進(jìn)入屈服狀態(tài)，局部框架柱進(jìn)入屈服狀態(tài)。結(jié)構(gòu)整體非線性能量耗散主要由框架梁及連梁承擔(dān)；

（3）進(jìn)入屈服的梁并未達(dá)到極限變形狀態(tài)，主要豎向構(gòu)件（墻、柱）的混凝土受壓均低于屈服狀態(tài)，鋼筋大多低于屈服狀態(tài)，局部部位鋼筋進(jìn)入屈服狀態(tài)；

（4）經(jīng)驗算，主要鋼筋混凝土豎向構(gòu)件，其截面抗剪承載力滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》公式3.11.3-4的要求；

（5）罕遇地震時程分析得到相對準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)動力特性，底部墻肢局部拉應(yīng)力較大、頂部框架柱及裙房在主樓相關(guān)范圍內(nèi)框架柱拉應(yīng)力較大，通過設(shè)置型鋼或增加配筋等措施增加較薄弱豎向構(gòu)件的承載力及延性，可以滿足大震不屈服的性能目標(biāo)。

可以得出結(jié)論，結(jié)構(gòu)整體能夠基本滿足罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)4的要求。

[1] 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2012）

[2]《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）