帶加強(qiáng)層的某框架-核心筒結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

錢德玲(1956-),女,安徽安慶人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

帶加強(qiáng)層的某框架-核心筒結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

程紅1,錢德玲1,江曼2,曹順1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥230009; 2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院,安徽 淮南232001)

摘要:為研究加強(qiáng)層對(duì)某大廈抗震性能的影響,文章利用有限元分析程序MSC.Marc分別建立某大廈3種不同方案的有限元模型,對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析和彈性時(shí)程計(jì)算,并對(duì)比分析3種不同方案有限元模型的自振特性、水平地震作用下的位移和內(nèi)力響應(yīng)。分析結(jié)果表明,就該框架-核心筒結(jié)構(gòu)而言,提高加強(qiáng)層處核心筒和外框架柱的抗震構(gòu)造措施,帶2處加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)方案能較好地控制水平地震作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)移。

關(guān)鍵詞:框架-核心筒;加強(qiáng)層;MSC.Marc程序;地震作用;時(shí)程分析

收稿日期：2013-11-29；修回日期：2014-02-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378168);合肥工業(yè)大學(xué)重大預(yù)研基金資助項(xiàng)目(2012HGZY0024)

作者簡(jiǎn)介：程紅(1988-),男,安徽安慶人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.01.019

中圖分類號(hào):TU973+.17文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Analysisofseismicresponseofaframe-tube

structurewithstrengthenedstorey

CHENGHong1,QIAN De-ling1,JIANG Man2,CAO Shun1

(1.SchoolofCivilandHydraulicEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China; 2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

Abstract:Three finite element models of a traffic building are established by using the finite element analysis program MSC.Marc to study the effect of strengthened storey on seismic response of the building. Free vibration characteristics and seismic response of displacement and internal force of three finite element models are analyzed based on the results of modal calculation and elastic time-history calculation. The results show that two strengthened storeys with appropriate stiffness and enhanced seismic tectonic measures for frame column and core tube are meaningful for frame-tube structures in terms of reducing seismic response of displacement.

Keywords:frame-tubestructure;strengthenedstorey;MSC.Marcprogram;seismicaction;time-historyanalysis

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工程技術(shù)的進(jìn)步,高層建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越普遍,在水平地震作用下,高層建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移控制是其面臨的主要問題之一[1]。當(dāng)框架-核心筒結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載或水平地震作用下產(chǎn)生較大側(cè)移時(shí),可以考慮利用結(jié)構(gòu)設(shè)備層或避難層設(shè)置加強(qiáng)構(gòu)件,增強(qiáng)內(nèi)筒和外框架之間的聯(lián)系,從而提高結(jié)構(gòu)的整體水平抗側(cè)剛度。加強(qiáng)構(gòu)件通常有如下3種形式：實(shí)腹梁、空腹梁和桁架,這3種構(gòu)件一般采用伸臂和周邊環(huán)帶形式進(jìn)行布置,其中桁架因自重輕、剛度小、能較好地提供過道空間而被廣泛采用。加強(qiáng)層能提高框架-核心筒結(jié)構(gòu)的整體剛度,減小結(jié)構(gòu)自振周期,有效控制結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的側(cè)向位移,但也帶來(lái)了不利影響，如結(jié)構(gòu)內(nèi)力的突變、薄弱層的存在等。分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力突變的原因和了解相關(guān)的抗震措施對(duì)實(shí)際工程有一定的參考價(jià)值。

1工程背景

某大廈項(xiàng)目主要功能有展示、辦公、商業(yè)、會(huì)議和指揮調(diào)度等功能,服務(wù)于交通廳和軌道交通運(yùn)營(yíng)控制中心。根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)單位提供的資料,該項(xiàng)目用地7 366m2,總建筑面積93 200 m2。該項(xiàng)目包括塔樓(辦公樓)及裙房、控制中心和地下室,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a,基坑安全等級(jí)為一級(jí),抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g。塔樓主體結(jié)構(gòu)為框架-核心筒形式,地面以上共41層,分為9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層,地面以下5層,總高度176.4m,框架-核心筒中間部位設(shè)有2處避難層,結(jié)構(gòu)立面示意圖如圖1所示。

圖1　結(jié)構(gòu)立面示意圖

2建立有限元模型

該框架-核心筒結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)方案并未利用避難層設(shè)置加強(qiáng)層,為了研究加強(qiáng)層對(duì)該框架-核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,設(shè)計(jì)了3種不同的方案,分別為不帶加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)方案、帶1處加強(qiáng)層(第21層)的結(jié)構(gòu)方案和帶2處加強(qiáng)層(第14層和第18層)的結(jié)構(gòu)方案,利用有限元分析程序MSC.Marc建立這3種不同方案的三維有限元模型,帶2處加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)三維有限元模型如圖2所示。

框架-核心筒結(jié)構(gòu)中的梁和柱均采用MSC.Marc程序中的52號(hào)單元(歐拉梁?jiǎn)卧?進(jìn)行模擬,MSC.Marc程序針對(duì)52號(hào)單元(歐拉梁?jiǎn)卧?和98號(hào)單元(鐵木辛柯梁?jiǎn)卧?提供了用戶子程序接口,用戶可以根據(jù)自己的需要,自定義梁?jiǎn)卧慕孛鎸傩浴?/p>

內(nèi)部核心筒的剪力墻和樓面板采用75號(hào)4節(jié)點(diǎn)殼單元進(jìn)行模擬,通過賦予殼單元復(fù)合材料屬性,就可以在MSC.Marc中實(shí)現(xiàn)分層殼剪力墻單元模型[2]。加強(qiáng)層的加強(qiáng)構(gòu)件采用空間桁架形式,利用MSC.Marc中的9號(hào)桿單元進(jìn)行模擬,加強(qiáng)層示意圖如圖3所示。

圖2　 結(jié)構(gòu)三維有限元模型

圖3　水平加強(qiáng)層示意圖

3模態(tài)分析

利用MSC.Marc程序的特征值分析功能對(duì)3種模型分別進(jìn)行模態(tài)分析,MSC.Marc就特征值問題提供了逆冪法和Lanczos法,如果2個(gè)特征值很接近,逆冪法可以有效地求得結(jié)果。用逆冪法得到的各模型自振周期見表1所列。

表1　結(jié)構(gòu)自振周期 　 s

結(jié)構(gòu)的一階振型為X方向的平動(dòng),二階振型為Y方向的平動(dòng),三階振型為平面扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。由于加強(qiáng)層使框架-核心筒結(jié)構(gòu)的整體剛度變大,因此結(jié)構(gòu)的自振圓頻率增大,結(jié)構(gòu)的自振周期減小[3]。從表1可以看出,與不帶加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)相比較,帶加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)自振周期均有縮短,其中結(jié)構(gòu)的一階振型周期和二階振型周期受加強(qiáng)層的影響較大,高階振型周期受到的影響相對(duì)較小。

4位移分析

在MSC.Marc程序中輸入3條單向水平地震波,分別為按比例縮小的ElCentro波、Taft波和上海人工波[4],地面加速度峰值均為35cm/s2,符合我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。在這3種不同的水平地震波作用下,結(jié)構(gòu)均處于彈性階段,計(jì)算結(jié)果取三者的平均值。當(dāng)有水平地震作用時(shí),框架-核心筒結(jié)構(gòu)所受到的整體傾覆力矩由核心筒和外框架共同承擔(dān),而剪力墻剛度較大,所以核心筒承受大部分的整體傾覆力矩。核心筒相當(dāng)于一個(gè)大型懸臂構(gòu)件,在較大的傾覆力矩作用下發(fā)生彎曲變形,此時(shí)，水平位移會(huì)比較大,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移和層間位移也過大。相反,當(dāng)在結(jié)構(gòu)的某一層或幾層設(shè)置加強(qiáng)層時(shí),由于加強(qiáng)構(gòu)件增強(qiáng)了核心筒和外框架柱之間的聯(lián)系,外框架柱對(duì)核心筒的彎曲轉(zhuǎn)動(dòng)有一定的約束作用,因此結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重新分布,外框架柱中的軸力增大,增大的拉壓軸力形成反力矩抵抗一部分整體傾覆力矩,使得核心筒承受的整體傾覆力矩降低,故而核心筒的側(cè)向位移減小,結(jié)構(gòu)的頂層位移得到控制。

地震作用方向結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4　地震作用方向結(jié)構(gòu)頂層位移時(shí)程曲線

由圖4可知,未設(shè)置加強(qiáng)層的框架-核心筒頂層位移響應(yīng)最大值為125mm,設(shè)置1處加強(qiáng)層和2處加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)頂層位移響應(yīng)最大值分別降低至105mm和90mm。因?yàn)橥饪蚣苤拗屏撕诵耐驳膹澢D(zhuǎn)動(dòng),層間位移角由外框架柱的軸向變形控制,所以轉(zhuǎn)動(dòng)量要小很多。

結(jié)構(gòu)頂層位移最大時(shí)刻層間位移角如圖5所示,結(jié)構(gòu)的整體變形呈現(xiàn)分段性,加強(qiáng)層將整個(gè)結(jié)構(gòu)分成了幾段,層間位移角在加強(qiáng)層處急劇減小。

圖5　結(jié)構(gòu)頂層位移最大時(shí)刻層間位移角

以上情形說明加強(qiáng)層能夠有效地控制水平地震作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。

5內(nèi)力分析與抗震措施

5.1　外框架柱和核心筒內(nèi)力分析

當(dāng)帶加強(qiáng)層的框架-核心筒有水平地震作用時(shí),加強(qiáng)構(gòu)件使得外框架柱給予核心筒一個(gè)強(qiáng)大約束,這必然導(dǎo)致加強(qiáng)層處結(jié)構(gòu)內(nèi)力突變,如圖6所示。由圖6a可知,不帶加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)其外框架柱的軸力從上到下均勻增大,而結(jié)構(gòu)帶1處或2處加強(qiáng)層時(shí),框架柱的軸力在加強(qiáng)層及上、下相鄰層處均急劇增加,呈現(xiàn)臺(tái)階式增長(zhǎng),帶2處加強(qiáng)層的框架-核心筒底層外框架柱的軸力最大[5]。由圖6b、圖6c可知,外框架柱的剪力和彎矩在加強(qiáng)層及相鄰上下層部位也均有較大的突變,正反方向變化2～3倍不等,其他層部位外框架柱的剪力和彎矩略有減小的趨勢(shì),并且?guī)?處加強(qiáng)層的內(nèi)力突變幅度比只帶1處加強(qiáng)層的稍有降低。

以上情形說明加強(qiáng)層會(huì)導(dǎo)致外框架柱在水平地震作用下發(fā)生內(nèi)力突變,加強(qiáng)層數(shù)量的增加對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力突變有一定的減緩作用。

在水平地震作用下,加強(qiáng)層及上下相鄰層處的核心筒受到加強(qiáng)構(gòu)件的約束作用,約束反力迫使核心筒內(nèi)力重新分布,應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯[6]。核心筒Z方向正應(yīng)力如圖7所示。

由圖7可知,不帶加強(qiáng)層的核心筒其Z方向的正應(yīng)力從上到下逐漸增大,分布呈均勻變化；帶加強(qiáng)層的核心筒其Z方向的正應(yīng)力在加強(qiáng)層及上下相鄰層處均發(fā)生突變,相鄰下一層的正應(yīng)力減小,相鄰上一層的正應(yīng)力增大,帶2處加強(qiáng)層的核心筒底部正應(yīng)力最大[7]。

圖6　外框架柱內(nèi)力

圖7　核心筒Z方向正應(yīng)力云圖

5.2　抗震措施

(1) 當(dāng)在框架-核心筒結(jié)構(gòu)中設(shè)置加強(qiáng)層時(shí),加強(qiáng)層以下部位外框架柱的強(qiáng)度應(yīng)適當(dāng)提高,框架柱所配鋼筋可以采用強(qiáng)度更高的鋼筋甚至采用鋼骨,外框架柱的箍筋應(yīng)采用螺旋箍筋或復(fù)合箍筋,這樣不僅可以大大增加外框架柱的承壓能力，而且能夠提高地震作用下框架柱的延性[8]。

(2) 加強(qiáng)層處的水平加強(qiáng)構(gòu)件應(yīng)與核心筒剪力墻在平面內(nèi)相交并可靠錨固,加強(qiáng)構(gòu)件與外框架柱的連接宜采用鉸接或半剛性連接,加強(qiáng)層及上下相鄰層處的核心筒應(yīng)適當(dāng)提高抗震構(gòu)造措施,可參考底部加強(qiáng)區(qū)的相應(yīng)構(gòu)造要求。

(3) 加強(qiáng)層的剛度不可過大,剛度過高的加強(qiáng)層會(huì)加劇結(jié)構(gòu)內(nèi)力突變程度,結(jié)構(gòu)容易有薄弱層,在地震作用下,不易實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”的延性破壞機(jī)制。

6結(jié)論

(1) 加強(qiáng)層可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度,水平地震作用下,帶加強(qiáng)層的框架-核心筒位移響應(yīng)有所減小,水平側(cè)移可以得到有效的控制。

(2) 水平地震作用下,帶加強(qiáng)層的框架-核心筒會(huì)有內(nèi)力重新分布,加強(qiáng)層及相鄰上下層外框架柱、核心筒均有內(nèi)力突變。

(3) 對(duì)于框架-核心筒結(jié)構(gòu),可以采用帶2處加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并提高外框架柱和核心筒的抗震構(gòu)造措施,使得在地震作用下,不但結(jié)構(gòu)的側(cè)移能較好地得到控制而且抗震性能也有一定的提高。

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(責(zé)任編輯胡亞敏)