基于Perform-3D的貴陽某超高層結(jié)構(gòu)動力彈塑性分析

陳輝明 莫世海

(1.深圳市協(xié)鵬建筑與工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518052； 2.廣東博意建筑設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 佛山 528312)

1 工程概述

本項(xiàng)目位于貴州省貴陽市花果園R區(qū)，建筑業(yè)態(tài)為公寓與酒店，結(jié)構(gòu)的計(jì)算高度為210 m，為超高層建筑，單棟塔樓建筑面積約11.7萬m2，地上50層，地下4層。其中6層～35層為公寓用房，36層以上為酒店用房，項(xiàng)目效果圖如圖1所示。

建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計(jì)使用年限50年。該地區(qū)的地震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，根據(jù)《高規(guī)》[1]規(guī)定對于B級高度高層建筑結(jié)構(gòu)宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補(bǔ)充計(jì)算。

2 結(jié)構(gòu)體系

本項(xiàng)目中，塔樓結(jié)構(gòu)高210 m，高寬比為4.75，地面以上50層，其中第5層為斜柱轉(zhuǎn)換層，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.75 m，避難層層高6.0 m，裙房部分層層高為5.6 m～6.0 m。結(jié)構(gòu)體系采用鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系。核心筒外墻厚度由1 100 mm到400 mm變化，內(nèi)筒厚度由400 mm到200 mm變化；標(biāo)準(zhǔn)層板厚100 mm～120 mm，裙房、塔樓屋面、斜柱轉(zhuǎn)換層板厚150 mm；裙房及避難層框架梁截面：500 mm×800 mm(水平加腋至800 mm)，標(biāo)準(zhǔn)層框架梁截面：400 mm×700 mm(水平加腋至800 mm)；框架柱截面由1 600 mm×1 600 mm到800 mm×800 mm逐漸變化；混凝土等級C30～C60，鋼筋等級HRB400。

整體三維圖及標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖2所示。

3 超限情況

該結(jié)構(gòu)屬于特別不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)，主要超限情況見表1。

4 抗震性能目標(biāo)

本文采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，塔樓抗震性能目標(biāo)按高規(guī)[1]劃分為C等級，在罕遇地震下結(jié)構(gòu)抗震性能應(yīng)滿足第4水準(zhǔn)。構(gòu)件性能水平參考規(guī)程[3]的相關(guān)規(guī)定分為立即使用(IO)、生命安全(LS)、防止倒塌(CP)三個階段，見圖3，塔樓構(gòu)件關(guān)鍵程度及抗震性能目標(biāo)定義見表2。

表1 結(jié)構(gòu)超限情況

表2 塔樓的構(gòu)件關(guān)鍵程度及抗震性能目標(biāo)定義

5 罕遇地震動力彈塑性分析

考慮結(jié)構(gòu)承受初始豎向荷載(D+0.5L)，以獲得更接近于實(shí)際情況的初始內(nèi)力。結(jié)構(gòu)阻尼計(jì)算采用瑞利阻尼法(質(zhì)量和剛度因子法)。

5.1 材料本構(gòu)

混凝土彈塑性模型采用三折線模型，根據(jù)混凝土規(guī)范[2]附錄C確定相關(guān)參數(shù)；鋼筋彈塑性模型采用雙線性隨動強(qiáng)化模型。

5.2 構(gòu)件單元模型

樓面主梁、連梁以及框架柱采用彈性桿+曲率型塑性鉸的FEMA模型[3]，剪力墻單元采用纖維單元模型[3]。

5.3 地震波

本工程采用由廣東省工程防震研究院所提供的兩組天然波(分別稱之為“DZ1”“DZ2波”)及一組人工模擬的加速度時程曲線(以下簡稱“人工波”)。本項(xiàng)目的罕遇地震水平加速度峰值取《高規(guī)》[1]規(guī)定數(shù)值125gal。將以上三條地震波的地震影響作用調(diào)整至罕遇地震作用等級。

根據(jù)所提供的3組地震波進(jìn)行動力彈塑性分析，考慮工況如下：

工況1：(D+ 0.5L)+(1.0Ex+0.85Ey)DZ1波;

工況2：(D+ 0.5L)+(1.0Ex+0.85Ey)DZ2波;

工況3：(D+ 0.5L)+(1.0Ex+0.85Ey)人工波;

工況4：(D+ 0.5L)+(0.85Ex+1.0Ey)DZ1波;

工況5：(D+ 0.5L)+(0.85Ex+1.0Ey)DZ2波;

工況6：(D+ 0.5L)+(0.85Ex+1.0Ey)人工波。

其中，Ex，Ey分別為同組地震中的水平方向1、水平方向2。

5.4 計(jì)算結(jié)果

5.4.1動力特性

在進(jìn)行動力彈塑性分析之前，先對模型進(jìn)行了模態(tài)分析，并與常規(guī)計(jì)算(SATWE)的總重力荷載代表值、周期進(jìn)行對比。兩種分析軟件的計(jì)算結(jié)果如表3,表4所示。

表3 兩種軟件計(jì)算模型的總質(zhì)量

表4 兩種軟件計(jì)算模型的周期

可見，兩者在周期和模型總重力荷載代表值方面基本一致，以此驗(yàn)證Perform-3D 模型的可靠性和合理性。

5.4.2結(jié)構(gòu)整體地震響應(yīng)

結(jié)構(gòu)的層間位移角如圖4 所示。

其中，X向最大層間位移角為1/435<[1/100]；Y向最大層間位移角為1/380<[1/100]，可見，結(jié)構(gòu)整體剛度滿足要求。

5.4.3構(gòu)件抗震性能評估

鑒于工況1的地震響應(yīng)較大，故選取該工況結(jié)果對構(gòu)件進(jìn)行性能評估。

核心筒頂部部分混凝土纖維出現(xiàn)墻體受拉開裂，但墻體鋼筋應(yīng)力處于比較低的水平，鋼筋抗拉應(yīng)力(max=0.55IO)，屬于彈性階段；底部加強(qiáng)區(qū)墻體混凝土未進(jìn)入塑性，混凝土抗壓應(yīng)力(max=0.44IO)，且不出現(xiàn)受剪損傷；剪力墻抗剪截面最大使用率不大于0.4，所有墻體截面均滿足大震下的抗剪截面控制條件，滿足性能水準(zhǔn)目標(biāo)。

大部分連梁都進(jìn)入塑性階段，連梁彎曲最大的變形(max=0.75CP)，且發(fā)展充分；連梁受剪截面監(jiān)測(max=0.75CP)，未出現(xiàn)剪切破壞，滿足性能水準(zhǔn)目標(biāo)。

結(jié)構(gòu)上部框架梁的塑性發(fā)展較為充分，框架梁彎曲最大的變形(max=0.37CP)，滿足性能水準(zhǔn)目標(biāo)；斜柱上下端所在樓層的外框架梁彎曲未進(jìn)入塑性。

斜柱上下端所在樓層的外框梁軸力擬采用內(nèi)置型鋼來承擔(dān)，外框梁截面為600 mm×1 200 mm，采用內(nèi)置Q345鋼H900×400×30×20(面積S)，通過計(jì)算可得斜柱上下端所在樓層的外框梁最大軸力：Nmax=10 530 kN。Nmax/S=280 MPa<295 MPa，可見軸力通過內(nèi)置型鋼來承擔(dān)方案可行。

框架柱彎曲最大的變形(max=0.092IO)，截面抗彎處于彈性階段，框架柱受剪截面監(jiān)測(max=0.3CP)，未出現(xiàn)剪切破壞，滿足性能水準(zhǔn)目標(biāo)。

5.4.4結(jié)構(gòu)耗能分析

結(jié)構(gòu)在工況1作用下的整體耗能時程圖如圖5所示。圖5中總耗能為58 490 kN·m，其中非線性耗能大小為12 120 kN·m，約占20.7%，所占比例較低，而在非線性耗能中主要是通過框架梁和連梁的塑性變形產(chǎn)生，相應(yīng)占比達(dá)到98%。結(jié)合框架梁和連梁在地震作用下的滯回曲線(見圖6)，可以看出連梁和框架梁主要起到耗能構(gòu)件的作用。

6 結(jié)語

基于Perform-3D軟件，本文對超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了罕遇地震作用下的動力彈塑性分析。計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)層間位移角滿足規(guī)范限值，框架柱、斜柱、斜柱上下端所在樓層的外框架梁以及大部分核心筒剪力墻在大震下均未進(jìn)入IO階段，多數(shù)連梁及部分框架梁進(jìn)入LS階段耗散地震能量，主要抗側(cè)力構(gòu)件均未出現(xiàn)脆性破壞，結(jié)構(gòu)的整體性能滿足高規(guī)[1]抗震性能目標(biāo)等級C的要求。

[1] JGJ 3—2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 [S].

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

[3] ASCE/SEC41—46，Seismic Rehabilitation of Existing Buildings[S].