裝配式模塊建筑核心筒抗震彈塑性分析

文/中國建筑設計研究院有限公司國住人居工程顧問有限公司 王海波

新城控股集團股份有限公司 藍繆輝

中國建筑設計研究院有限公司國住人居工程顧問有限公司 劉長松 任樂明 武曉敏 楊春林

0 引言

本文算例采用的是新型結(jié)構(gòu)體系：模塊-核心筒混合結(jié)構(gòu)。體系中的模塊采用鋼密柱體系，主要承擔豎向荷載；核心筒為混凝土結(jié)構(gòu)，按承擔全部水平作用考慮，并承擔自重，為單道防線，故核心筒的抗震性能極為關(guān)鍵。

此預制集成建筑模塊體系在歐洲已投入工程應用多年，技術(shù)成熟度較高，整體可實現(xiàn)在工廠完成80%以上的主體結(jié)構(gòu)組裝和90%以上的部品安裝，建設工期比傳統(tǒng)建筑工藝工期縮短一半以上，現(xiàn)場建筑垃圾減少85%，而且95%的建筑垃圾可實現(xiàn)回收利用，施工周期短，綠色度高。

在規(guī)模適當?shù)淖≌こ探ㄔO中，模塊建筑體系具有造價適中的核心優(yōu)勢，推廣應用前景比較廣闊，將會為我國工業(yè)化建筑拓展新的發(fā)展思路。

該結(jié)構(gòu)體系經(jīng)過抗震改型與創(chuàng)新優(yōu)化，目前已在我國實施落地。本文結(jié)合有限元軟件ABAQUS，建立模塊-核心筒混合結(jié)構(gòu)算例，著重研究作為單道防線的抗側(cè)力核心筒的抗震性能。

1 算例概況

住宅塔樓建筑高度30m，地上10層，標準層層高3m，結(jié)構(gòu)平面布置沿中線對稱，如圖1所示。鋼筋混凝土核心筒承擔結(jié)構(gòu)100%水平力及核心筒自重，各模塊鋼密柱間實現(xiàn)鉸接，承擔自身豎向荷載，各層樓板不連續(xù)，均采用特殊連接件連接。單個核心筒平面尺寸為7.6m×8.2m，如圖2所示。

相關(guān)設計參數(shù)如下：建筑結(jié)構(gòu)安全等級二級；結(jié)構(gòu)設計使用年限及結(jié)構(gòu)設計基準期50年；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0；建筑抗震設防分類為標準設防類（丙類）；抗震設防烈度7度（0.1g）；設計地震分組第二組；場地類別III類；罕遇地震場地特征周期0.6s；罕遇地震結(jié)構(gòu)阻尼比0.06。

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》（2016版）的要求，結(jié)構(gòu)在不同級別的地震作用下實現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”，其中小震和中震可通過承載力和變形驗算的方法進行，對于罕遇地震，則需進行非線性地震分析，作為結(jié)構(gòu)抗震性能化設計評價的依據(jù)。

2 非線性有限元模型

ABAQUS三維非線性模型如圖3所示，平面網(wǎng)格劃分如圖4所示。模擬單元信息如下：①剪力墻/樓板：4節(jié)點縮減積分殼單元S4R；②模塊鋼柱：T3D2；③鋼梁、邊緣構(gòu)件配筋、墻體內(nèi)置型鋼：三維梁單元B31；④模塊連接件（Q345）：4節(jié)點縮減積分單元S4R。ABAQUS彈塑性模型的動力特性如表1所示。

3 地震時程曲線

根據(jù)GB 50011—2010，本文采用3組罕遇地震地面運動加速度記錄作為非線性動力時程分析的地震輸入。在3組強震記錄中，兩組為與設計目標反應譜相符的真實強震地面加速度記錄，另一組為與設計目標反應譜相符的人工模擬地面加速度時程，地震波持續(xù)時間均為20s，時間間隔為0.02s，地震波反應譜與規(guī)范譜的對比如圖5所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置

圖2 核心筒布置

圖3 ABAQUS彈塑性整樓模型

圖4 ABAQUS平面網(wǎng)格劃分

表1 周期與振型

圖5 各條地震波反應譜與規(guī)范譜對比

4 分析結(jié)果

4.1 基底剪力時程

由圖6～9可看出，隨著地震波輸入強度的增加，結(jié)構(gòu)部分進入彈塑性狀態(tài)，剛度有所下降，使得彈塑性模型的剪力反應小于彈性模型的剪力反應。由表2可看出，大震彈塑性與大震彈性的基底剪力比值在53.3%～80.7%，表明在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)剛度出現(xiàn)一定程度的退化，但仍在合理范圍內(nèi)。

圖6 時程平均反應譜與規(guī)范譜對比

圖7 TR1基底剪力時程

圖8 TR2基底剪力時程

圖9 RG1基底剪力時程

表2 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力

4.2 層間位移角

由圖10～12可知，3條罕遇地震時程作用下結(jié)構(gòu)x向最大層間位移角為1/417，產(chǎn)生在第6層，結(jié)構(gòu)y向最大層間位移角為1/427，產(chǎn)生在第5層，結(jié)構(gòu)最大層間位移角普遍小于其抗震設防性能目標的位移限值（1/100），可滿足大震不倒的設計要求。

圖10 TR1層間位移角

圖11 TR2層間位移角

圖12 RG1層間位移角

5 結(jié)語

通過ABAQUS軟件對裝配式模塊結(jié)構(gòu)算例進行罕遇地震下動力彈塑性分析，本文著重對抗側(cè)力核心筒進行抗震性能分析，得出如下結(jié)論。

1）核心筒基底剪力下降，結(jié)構(gòu)剛度出現(xiàn)一定程度的退化，但仍在合理范圍內(nèi)。

2）核心筒最大層間位移角普遍小于其抗震設防性能目標的位移限值（1/100），可滿足大震不倒的設計要求。