某超高层动力弹塑性研究

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某超高层动力弹塑性研究　　摘要:某超高层地上主楼53层，结构高度170m。将主塔楼ETABS模型转换为Perform-3D整体结构分析模型，经过模态分析表明，结果与ETABS模型分析结果相近。考虑2组天然波和1组人工波、7度罕遇地震作用下3个工况。采用PERFORM-3D三维结构非线性分析与性能评估软件对此工程进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，得到结构在罕遇地震作用下的变形、内力和损伤情况,以评价结构在罕遇地震作用下的弹塑性行为。并根据分析结果，针对结构薄弱部位和薄弱构件提出相应的加强措施，以指导结构设计。分析结果表明:罕遇地震作用下弹塑性分析结果反映了结构在地震作用过程中构件塑性发展;考虑了材料的弹塑性，结构最大层间位移角满足1/120的限值要求，连梁出现不同程度的损伤，大部分剪力墙混凝土受拉损伤，剪力墙中钢筋均未屈服，结构满足大震不倒的设防要求。关键词:超高层建筑;剪力墙结构;弹塑性分析;动力响应中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A文章编号：1工程概况本工程地上主楼53层，结构高度170m，结构体系采用了剪力墙结构（含局部框支柱）,8 混凝土结构有较好的抗震性能和延性。整体刚度也较大，对于控制结构的位移和舒适度较为有利。设计中调整和优化结构抗侧刚度，确保剪力墙结构的质心和刚心接近，偏心处于最小状态。塔楼建筑平面为矩形，平面布置规则，外墙和内墙开洞均匀，墙体截面和混凝土强度等级从下向上逐渐减小，保证了抗侧刚度的连续性。2结构模型建立2.1单元选取本工程结构分析采用Perform-3D软件进行动力弹塑性时程分析。建模过程中，材料、构件建模条件遵循最新中国规范及美国ASCE41、FEMA356规范。模型范围取地下室顶板所在标高到塔顶，地下室顶板所在标高的支座按固定端施加约束。框架梁及连梁建模时，采用FAMA梁模型，均考虑塑性发展，即构件由两段等长度FEMA梁组成。连梁与剪力墙连接时，需在墙肢内加入内嵌梁段才能反映连梁与剪力墙的刚接性质。剪力墙以纤维墙单元来模拟。应用该纤维模型可预测剪力墙中钢筋及混凝土的屈服、开裂、压碎等非线性特征。剪力墙的剪切特性通过定义剪切材料来实现。根据墙体的应变情况判断墙体是否开裂或屈服。8 钢骨混凝土柱采用端部塑性区模型模拟，即由中部弹性段和两端塑性区（采用纤维截面）组成。2.2材料本构关系钢材本构模型采用二折线无下降段的理想弹塑性E-P-P(Elastic-Perfect-Plastic)应力-应变关系曲线，采用非屈曲钢材本构（Non-Buckling），不考虑强度损失。钢筋采用非屈曲钢材本构（Non-Buckling），不考虑强度损失，因为结构的延性设计主要是建立在结构钢筋经历反复的大塑性应变依然能够维持较高的应力水平基础上的，并要求钢筋通常不会发生拉断等脆性破坏。受力钢筋主要采用HRB400。混凝土本构模型简化为折线型，不考虑约束混凝土效应。2.3阻尼的选择阻尼同时考虑振型阻尼及Rayleigh比例阻尼。Rayleigh比例阻尼矩阵[C]可写为质量矩阵[M]和刚度矩阵[K]的线性组合：，通过求结构第1、2阶圆频率可得Rayleigh阻尼值。3动力弹塑性分析结果3.2罕遇地震作用计算结果3.2.1剪力及倾覆弯矩三组地震波下结构层剪力及倾覆弯矩分布相近，底部剪力及倾覆弯矩最大，这是因为结构沿竖向布置均匀，无刚度突变。X方向层剪力图有内拐现象，这是受高层建筑高阶阵型的影响。8 由罕遇地震中两组天然波作用下X向基底剪力时程曲线弹性与弹塑性模型的比较，得出弹塑性模型在刚度在结构发生损伤刚度降低后，周期变长，弹塑性模型的基底剪力时程曲线出现明显失稳滞后。3.2.2结构变形从Perform3D非线性时程分析中总结出质心处层间位移角的比值,最大层间位移角为1/145。可见结构各层层间位移角均小于0.8%（1/120），满足规范要求。三种地震工况下，结构层间位移角响应规律相似，其中X方向最大层间位移角发生在30到34层之间，Y方向最大层间位移角发生在43到45层之间。由于高阶阵型的影响，层间位移角有内拐现象。3.3剪力墙、框支柱和剪力墙连梁的性能评价3.3.1剪力墙的性能评价结构在罕遇地震下的性能目标为：震后结构中度损坏，部分竖向构件以及大部分耗能构件进入屈服阶段，关键构件轻度损坏，修复或加固后才可继续使用。下图给出了罕遇地震下剪力墙中钢材的应力分布和墙肢的应变。剪力墙钢材应力分布墙肢拉应变墙肢压应变8 墙钢材应力分布图可知，所有钢筋应力水平均未达到屈服应力。在结构底部钢材应力水平最高。内外墙总体上未进入塑性，钢筋最大应变在1260με以内。从FEMA性能评价角度来看，墙体满足IO（立即入住）性能水平。由剪力墙混凝土拉应变图可知，结构部分墙体混凝土达到并超过了混凝土开裂应变（100με）。墙体出现了较大程度的开裂。开裂墙体数量顶部多于底部。按照混凝土设计规范，混凝土在压应力峰值处的压应变约为2000με，超过该峰值应变后压应力随之降低。由混凝土压应变图可知，底层墙体压应变最大，但所有混凝土均未达到峰值压应变（2000με）。总体上处于受压状态，各楼层墙体压应变在800με以下（参照混凝土本构关系曲线估计，该应力水平约为峰值压应力的0.65倍）。总体而言，混凝土压应力水平不高，不至于出现混凝土剥落甚至压溃等严重破坏现象。3.3.2框支柱的性能评价在各组地震波的激励下，型钢混凝土柱的钢骨均未达到屈服，总体表现弹性。部分型钢混凝土柱出现开裂现象，混凝土拉应变超过开裂应变（100με），最大拉应变在500με以下。混凝土最大压应变在600με以下，不至于出现混凝土剥落甚至压溃等严重破坏现象。型钢混凝土柱抗震性能结合FEMA性能参数进行综合性能评价，总体上满足IO（立即入住）性能水平。3.3.3剪力墙连梁转角性能水平8 通过塑性铰发展情况来判断构件破坏情况。下图显示了时程分析下连梁塑性转角沿高度变化情况。针对剪力墙连梁，Perform-3D中需输入剪力墙连梁屈服弯矩（与配筋率有关）。通过塑性铰发展情况来判断构件破坏情况。构件塑性铰采用弹塑性静力分析方法计算弯矩-曲率曲线。通过结构连梁配筋信息结合弹塑性静力分析方法计算出连梁弯矩-曲率关系，并得出，塑性转角小于0.0038时，连梁处于弹性阶段。连梁塑性转角沿高度的变化在各组地震波的激励下，剪力连梁约有60%以上产生塑性变形，形成充分塑性铰。最不利地震波激励下约0.3%的连梁超过“生命安全LS”水平，没有连梁超过“防止倒塌CP”性能水平。连梁抗震性能总体上满足“生命安全LS”性能目标。4结论对某超高层进行动力弹塑性分析的主要目的是为了更好的理解结构在罕遇地震（50年超越概率2%）作用下的表现。从非线性时程分析得出的结果通过结构构件力和位移、变形关系对地震作用做出很有价值的评估，并参照最新中国规范以及ASCE41-06、FEMA356规程对结构进行性能化分析，对结构表现进行检验。根据罕遇地震作用下的弹塑性时程分析结果，对结构的抗震性能做如下综合评价及改进：8 1）结构在罕遇地震作用下的最大层间位移角为1/145，满足抗震规范关于该类结构体系层间位移角1/120的限值要求。2）剪力墙是本结构的主要抗侧力构件组成部分，墙体内钢筋均处于弹性状态；混凝土处于受压状态，压应力水平一般处于0.65倍的混凝土峰值强度内；有部分墙体出现了开裂，外围墙体开裂较大，可适当采取加强措施，以减少开裂程度。剪力墙总体上满足“立即入住IO”性能水平。3）本结构主要耗能构件为剪力墙连梁。在罕遇地震作用下有60%以上产生塑性变形，少部分连梁接近“防止倒塌CP”性能水平。连梁总体上满足“生命安全LS”性能水平。部分连梁在罕遇地震波激励下塑性铰程度比较高，应采取严格的纵筋锚固和箍筋加密等构造措施，保证连梁在塑性铰充分形成后的良好延性和耗能能力。4）型钢混凝土柱处于弹性范围，钢骨均未产生塑性变形。混凝土部分形成受拉开裂，混凝土最大压应变在600με以下，不至于出现混凝土剥落甚至压溃等严重破坏现象，满足“立即入住IO”性能水平。可适当减小柱截面或减少含钢率以减少材料浪费。通过罕遇地震下性能化分析研究，目前结构的剪力墙和连梁在罕遇地震下能通过生命安全（LS）等级限制内适当的开裂和屈服进行能量分散，显示出合理的非线性行为。参考文献［1］FEMA356.PrestandardandCommentaryforthe8 SeismicRehabilitationofBuildings[M].FederalEmergencyManagementAgency［2］徐培福,博学怡,王翠坤,肖从真.复杂高层建筑结构设计，中国建筑工业出版社，2005年[M].［3］杨先桥，傅学怡，黄用军.深圳平安金融中心塔楼动力弹塑性分析[J],建筑结构学报,2011,32(7):40-49.8