基于PERFORM-3D的某超限高層結構動力彈塑性分析

羅　凡

(廈門合道工程設計集團有限公司　福建廈門　361004)

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基于PERFORM-3D的某超限高層結構動力彈塑性分析

羅凡

(廈門合道工程設計集團有限公司福建廈門361004)

某超限高層辦公大樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系，為了全面評估其抗震性能水平，借助三維非線性結構分析軟件PERFORM-3D對該超限結構進行罕遇地震作用下的動力彈塑性分析，得到了結構的整體地震響應和構件性能狀態(tài)。分析結果表明，結構滿足規(guī)范規(guī)定的層間位移角要求，各構件基本實現(xiàn)預先設定的抗震性能目標水準。

框筒結構；動力彈塑性分析；PERFORM-3D；抗震性能

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1　工程概況

本項目位于福建省泉州市城東片區(qū)，該辦公大樓為總建筑面積6.3萬平米的5A綜合樓(1至4層為商業(yè)及辦公；5～33層為辦公,12、23層為避難層)，規(guī)劃高度為133.6m(圖1)。建筑抗震設防類別為丙類，建筑結構安全等級為二級，設計使用年限50年。所在地區(qū)的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.15g，設計地震分組：第三組；場地類別：Ⅱ類；特征周期根據(jù)規(guī)范[1]為Tg=0.45sec(安評報告小震為Tg=0.45sec)，按建筑類別調整后用于結構抗震驗算的烈度為7度，按建筑類別及場地調整后用于確定抗震等級的烈度為7度。

2　結構體系設計及超限情況說明

2.1結構體系研究

圖1　辦公大樓效果圖

本工程采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系。主樓建筑高度為133.5m,寬度為38.0m,高寬比為3.51，滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(下簡稱《高規(guī)》)[1]3.3.2條中框架-核心筒7度最大高寬比為7的要求；核心筒的寬度為19.0m，筒體高度與寬度比為7小于12；主樓高度超過《高規(guī)》[1]表3.3.1～1中框架-核心筒結構體系7度最大高度130m的限值，適用于B級高度。

樓面結構：上部樓層板采用鋼筋混凝土梁、板體系，厚度120～150mm，屋面板板厚120～150mm。 結構采用鋼筋混凝土柱，底層柱斷面1 300mm×1 300mm～1 600×1 600mm，往上到二十九層逐漸減小至1 000mm×1 000mm，頂部幾層柱斷面進一步縮減至800mm×800mm；剪力墻采用鋼筋混凝土墻，內(nèi)筒外圍墻體厚度由700mm變化到450mm，內(nèi)部墻體厚度400mm～200mm。

2.2結構體系布置

結構三維模型及標準層結構平面如圖2和圖3。

圖2　結構三維模型圖

圖3　標準層結構平面圖

2.3超限情況的認定

依據(jù)住建部建質[2010]109號文件《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》，經(jīng)初步判斷，本建筑物存在需抗震設防專項審查及主要超限情況如下:

(1)考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2，屬扭轉不規(guī)則；

(2)一層存在局部穿層柱；

(3)本工程結構總高度為133.5m，超過7度區(qū)框架-核心筒結構130m的高度限值。

3　抗震性能目標確定

針對本結構超限及不規(guī)則情況，綜合考慮《建筑抗震設計規(guī)范》[2]的要求，將本工程的抗震設防性能目標確定為 C 級，結構分析中采用基于性能的抗震設計方法，并參照美國規(guī)程 ASCE41，將結構性能水平分為以下 4 個階段(圖4)：彈性階段(OP)、立即使用階段(IO)、 生命安全階段(LS) 、防止倒塌階段(CP)[3]，針對整體結構及結構構件分別設定了罕遇地震作用下的抗震性能目標，具體內(nèi)容見表1。

表1　抗震性能目標

圖4　性能水平示意圖

4　罕遇地震動力彈塑性分析

為判斷結構是否滿足預先設定的抗震性能目標，本工程采用PERFORM-3D對整體結構進行了動力彈塑性分析。計算時考慮幾何非線性P-Δ效應和材料非線性，采用瑞利阻尼。

4.1材料本構

鋼筋和鋼材本構模型采用三折線模型(圖5)，在循環(huán)過程中不考慮過極限點的剛度退化?；炷敛捎枚嗾劬€模型來模擬混凝土受壓應力應變關系，根據(jù)混凝土結構設計規(guī)范(GB 50011-2002)[4]附錄C的公式確定相關參數(shù)，不考慮混凝土的受拉承載力(圖6)。本工程鋼筋均采用HRB400，豎向構件混凝土強度等級為C60～C35，梁板混凝土強度等級為C35～C30。

圖5　鋼筋和鋼材本構模型

圖6　混凝土本構模型

4.2構件單元模型

樓面的框架梁由兩端的彎矩-曲率型塑性鉸+中部彈性桿組成，對混凝土連梁，除設彎矩轉角鉸外，另加設剪力位移鉸(圖7)。框架柱和剪力墻單元采用纖維單元模型[5](圖8)。

(1)框架梁單元

(2)連梁單元圖7　框架梁和連梁單元基本組成

(1)框架柱單元 (2)剪力墻單元圖8　框架柱和剪力墻正截面纖維模型

4.3地震波的選取

通過小震彈性時程分析選波原則和方法，選取了5條天然波和2條人工波，地震參數(shù)詳見表2。進行時程分析時，各分析工況均采用雙向輸入，主、次方向地震強度比按1∶0.85確定，總計14個工況。

表2　地震參數(shù)

4.4分析結果

4.4.1動力特性

分別采用Perform-3D和SATWE進行模態(tài)分析得出的結果如表3、表4所示，兩者前三階周期和模型總質量基本一致，說明所建立的Perfrom-3D模型是可靠和合理的。

表3　振型結果

表4　模型總質量　t

4.4.2結構整體地震響應

結構在0°和90°主方向罕遇地震作用下，結構的層間位移角如圖9所示。從圖9中可以看出，結構在7條地震波作用下，X向最大平均層間位移角為1/288，出現(xiàn)在20層；Y向最大平均層間位移角為1/246，出現(xiàn)在22層，均小于規(guī)范限值1/100，結構的整體剛度滿足抗震規(guī)范要求。

(1)X向　　　　(2)Y向圖9　層間位移角

4.4.3結構構件抗震性能評估

選取地震響應較大的GM2波在X主方向作用下的計算結果進行性能評估說明。構件在各水準下的塑性狀態(tài)通過抗震性能水平圖中的顏色表現(xiàn)出來，紅色表示構件超過了預定的損傷極限狀態(tài)， 黃色、綠色、藍色所表示的損傷程度依次降低，且均不超過預定的損傷程度，其所處的狀態(tài)與極限狀態(tài)的比值可以自己定義[6]。

剪力墻的抗震性能水平如圖10所示。從圖10中可以看出，剪力墻在地震作用下，鋼筋拉應變處于OP階段，即彈性階段；底部加強區(qū)混凝土壓應變也沒有進入塑性，塑性變形保持在OP～IO階段，即正常運行階段，其余區(qū)域混凝土壓應變均處于彈性階段。提取筒體剪力墻軸力時程曲線，觀察到在整個地震過程中剪力墻未出現(xiàn)拉力。

外框柱的抗震性能水平如圖11所示。從圖中可以看出，在地震作用下，外框柱沒有進入塑性，底層外框柱塑性變形保持在OP～IO階段，即正常運行階段，其余外框柱均處于OP階段，即彈性階段，保證了外框柱形成結構的二道防線。提取外框柱軸力時程曲線，觀察到在整個地震過程中外框柱未出現(xiàn)拉力。

(鋼筋拉應變水平)　　　　(混凝土壓應變水平)

圖10　剪力墻鋼筋拉應變和混凝土壓應變水平

圖11　外框柱抗震性能水平

(1)全部樓層　　　　(2)局部樓層

圖12　樓層梁抗震性能水平

框架梁和連梁的抗震性能水平如圖12所示。從圖中可以看出，在地震作用下，全樓大部分框架梁和連梁均進入了塑性階段，中間層的塑性變形較大，上部和下部的梁塑性變形較小。其中聯(lián)系筒體和外框架之間的框架梁基本處于LS階段，即生命安全階段，而核心筒內(nèi)的連梁損傷較嚴重，塑性變形較大，處于或部分超過CP階段，即安全極限狀態(tài)，在地震作用下，逐步退出工作，這也符合連梁作為主要塑性耗能構件的要求。

4.4.4耗能分析

結構在GM2波作用下的能量耗散圖如圖13所示。輸入結構的地震能量主要有四種形式的輸出途徑，分別是動能、應變能、阻尼耗能和滯回耗能。圖中紅色部分為構件非線性滯回耗能，所占比例較低，大約為30%，主要是通過框架梁和連梁的塑性變形產(chǎn)生，而阻尼耗能所占比例較高，說明結構大部分構件還處于彈性狀態(tài)或輕微的塑性狀態(tài)。通過連梁在地震作用下的滯回曲線(圖14)可以看出，該曲線形狀較為飽滿，也說明連梁的設置起到了耗散和吸收大部分地震波能量的作用，從而保護了其他關鍵構件。

圖13　罕遇地震下耗能分配圖

圖14　連梁滯回曲線圖

5　結論

通過建立基于PERFORM-3D軟件的有限元模

型，對結構進行罕遇地震作用下的動力彈塑性分析，得到了結構整體地震響應以及結構構件的抗震性能水平。在7條地震波作用下，結構的層間位移角均滿足規(guī)范要求。豎向構件塑性變形小，抗震性能水平基本處于立即使用階段。樓層框架梁和連梁消耗了大部分的地震能量，進入了較高程度的非線性狀態(tài)，部分連梁達到了設定的防倒塌階段。經(jīng)過綜合分析和評估，該超限高層框筒結構能夠滿足“大震不倒”的設防標準和其他各項性能目標。

[1]JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2011．

[2]GB 50011-2010 建筑抗震設計規(guī)范[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2010．

[3]ASCE/SEC41-46 Seismic Rehabilitation of Existing Buildings[S]．USA: American Society of Civil Engineers，2007．

[4]GB 50011-2002 混凝土結構設計規(guī)范[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2010．

[5]CSI Perform components and elements for PERFORM-3D and PERFORM-COLLAPSE [M].Computers and Structures Inc．，Berkeley，California，2006

[6]賈慶國，王曙光，劉偉慶，等.常州凱越中心12#樓抗震性能研究[J].建筑結構，2013, Vol.23(S1): 504-508.

羅凡(1986.05- )，男，碩士，工程師，主要從事建筑結構抗震分析和設計方面的工作。

Dynamic nonlinear analysis of a high-rise building based on PERFORM-3D

LUOFan

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Co.,Ltd.,Xiamen 361004)

RC frame-tube structure is adopted for a high-rise building beyond code limits. In order to evaluate the structural seismic performance, the dynamic nonlinear analysis was carried out by means of three dimensional nonlinear structure analysis software PERFORM-3D。The overall seismic response of the structure and the performance status of the members are obtained. The analysis results show that the story drift satisfies the requirement of specifications. All components achieve the intended target performance levels.

Framed-tube structure; Dynamic nonlinear analysis; PERFORM-3D; Seismic performance

羅凡(1986.5-)，男，工程師。

2015-11-26

TU973

A

1004-6135(2016)01-0072-05