某超高层住宅的大震弹塑性时程分析

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2016年12月建材与装饰规划与设计某超高层住宅的大震弹塑性时程分析庄轶（广州容柏生建筑结构设计事务所广东广州510170）摘要：某超高层住宅采用钢筋混凝土剪力墙结构，建筑平面左右两侧体量不对称，结构扭转效应明显，本文采用Abaqus软件对其进行了罕遇地震作用下结构的弹塑性时程分析，以检验其结构布置的合理性和结构的抗震性能。分析结果表明，结构在罕遇地震作用下的整体位移满足规范要求，通过调整后的结构具有较高的抗震承载力和延性。关键词：剪力墙；弹塑性时程分析；延性中图分类号：TU973.31文献标识码：A文章编号：1673-0038（2016）50-0127-031工程概况受拉时，混凝土的抗拉刚度不恢复，如图2所示。本项目位于郑州市的1栋58层的超高层住宅，结构高度为174.450m。根据其建筑布局和高度、高宽比均较大的特点，选择钢筋混凝土剪力墙结构作为其结构体系。结构分析模型和标准层平面图见图1。工程位于Ⅱ类场地土，特征周期为0.40s，抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.15g。由于建筑平面左右两侧体量明显不对称，核心筒偏置于平面右侧，结构扭转效应明显。为深入研究该结构在罕遇地震作用下的抗震性能，本文采用大型有限元软件ABAQUS对其进行了罕遇地震作用下的动力弹塑性时图2混凝土拉压刚度恢复示意图程分析。在弹塑性分析中，由于采用直接积分法求解，不能直接代入振型阻尼比，通常是采用瑞雷阻尼来等效模拟。瑞雷阻尼分为质量阻尼α和刚度阻尼β两部分。在弹塑性时程分析中输入一个固定的质量阻尼α和刚度阻尼β将导致结构高频部分动力响应偏小，如仅采用质量阻尼α又会导致高频部分响应偏大，与实际情况均有较大偏差。结构的动力方程MA+CV+KX=-MZ的第二项为阻尼矩阵C乘以速度矩阵Xi。而在显式积分方程中，阻尼矩阵可进一步简化为对角矩阵。因此，可以构造出一个与振型分解法中模态阻尼矩阵相等效的的对角C阻尼矩阵，并采用图1结构分析模型及标准层平面图ABAQUS的二次开发功能，通过将自编阻尼程序编译入计算模2弹塑性分析模型块的方法，代替了原有的阻尼计算模块，从而实现了直接积分法在弹塑性分析模型中，所有对结构刚度有贡献的结构构件均与振型分析法在各振型阻尼上的等效。按实际情况模拟。梁、柱和支撑等杆单元选用Abaqus自带的B31按照抗震规范要求[3]，分析采用了两组天然波和一组人工波单元模拟。B31单元采用纤维塑性区模型，杆件刚度由截面内和进行弹塑性时程分析，双向地震输入，主次方向地震波加速度峰长度方向动态积分得到。剪力墙和楼板等选用Abaqus的二维弹值比为1：0.85，地震波持续时间30s，主方向地震波峰值为塑性壳单元S4R模拟。310Gal（如图3）。材料本构方面，钢材采用双线性硬化模型，在循环过程中，无刚度退化，但考虑了包辛格效应。钢材的强屈比设定为1.25，极限应力所对应的极限塑性应变为0.025。混凝土材料模型采用弹塑性损伤模型，可考虑材料拉压强度的差异，刚度强度的退化和拉压循环的刚度恢复，其轴心抗压和轴心抗拉强度标准值按相关规范采用[1]。混凝土材料进入塑性状态伴随着刚度的降低，其刚度损伤分别由受拉损伤参数dt和受压损伤参数dc来表达[2]，dt和dc由混凝土材料进入塑性状态的程度决定，其数值参照混凝土材料单轴拉压的滞回曲线给出。当荷载从受拉变为受压时，混凝土材料的裂缝闭合，抗压刚度恢复至原有抗压刚度；当荷载从受压变为图3人工波主方向波形及其加速度谱与规范反应谱比较·127· 规划与设计建材与装饰2016年12月3分析结果3.1整体计算结果在考虑重力二阶效应及大变形的条件下，完成了3组地震波的大震弹塑性时程分析，计算结果详表1、表2和图4，对大震弹塑性计算整体指标的综合评价如下：（1）在考虑重力二阶效应及大变形的条件下，结构最终能保持直立，满足“大震不倒”的设防要求；结构的最大层间位移角为（a）未加采取加强措施前（b）采取加强措施后1/136，满足规范1/120的限值要求[4]；图5右上角核心筒的剪力墙墙肢混凝土受压损伤情况（2）结构两个方向剪力墙均设有较多的耗能连梁，大震弹塑最大拉力稍小，通过增加钢骨后满足抗拉要求。性分析结构剪重比相当于弹性大震的0.4~0.7倍，从分析结果可以看到耗能连梁的作用比较明显。（3）由于在人工波大震作用下剪力墙损伤比在天然波1和天然波2大震作用下的剪力墙损伤严重，故人工波弹塑性分析的结构顶点位移要比两条天然波的要大。图6首层墙柱编号图考虑到各组地震波的反应以人工波作用下最大，后文将主要表3剪力墙基底轴力（拉力为负）列举这组地震波作用下的计算结果。最大压力最小压力最大压力最小压力墙编号墙编号（kN）（kN）（kN）（kN）表1结构整体计算结果W1252877629W1753110-4709SATWEABAQUSW2409503983W18236996423结构总质量（t）9270593628W33567411113W1967217-21434.17（X）4.40（X）前3阶周期W44656910628W2073002278233.92（Y）3.88（Y）（s）W524740-2138W214744844493.26（T）3.17（T）W6121686154W2247099363表2最大剪重比、顶点位移和层间位移角W720109-1657W23224843459X向Y向W840007-1136W2473275-2005最大剪重比6.227.59W975576411W2581843-6685最大顶点位移0.9070.924W10124457885W2644206-188最大层间位移角1/1361/145W1165078-695W2727479-1381W124630920337W2891167-5853W1399639-6640W29139381-9482W1448198-3145W3025425478W1517778-1633W313012117174W1692297-54995结论通过对结构进行大震弹塑性分析，对结构性能做出如下评价：图4人工波层位移以及层间位移角曲线（1）在考虑重力二阶效应及大变形的条件下，结构最终能保3.2剪力墙塑性损伤情况持直立，满足“大震不倒”的设防要求；结构的最大层间位移角为剪力墙混凝土损伤大部分为连梁损坏或墙肢底层出现轻微1/136，满足国家规范1/120的限值要求；损伤，但建筑平面右上角核心筒的剪力墙墙肢底部出现较严重（2）结构两个方向剪力墙均设有较多的耗能连梁，耗能能力损伤见图5（a），主要是由于该墙竖向荷载较少，大震下拉力过大较好；大震弹塑性分析结构剪重比相当于弹性大震的0.4~0.7所造成。对该墙采取在端部加钢骨和把墙身配筋率提高为1.5%倍，从分析结果可以看到耗能连梁的作用比较明显；的加强措施重新进行大震分析，损伤示意图见图5（b），从图中可（3）由于在人工波大震作用下剪力墙损伤比在天然波1和天以看到，墙身损伤得到大幅减缓，首层出现受压损伤贯通倾向得然波2大震作用下的剪力墙损伤严重，故人工波弹塑性分析的到控制。端部加钢骨后，钢骨和边缘构件均不再出现塑性应变，结构顶点位移要比两条天然波的要大；可以保证该墙局部损坏后仍能承担自重。（4）剪力墙混凝土损伤大部分为连梁损坏或墙肢底层出现轻4基底反力微损伤，右上角核心筒的剪力墙墙肢底部出现较严重损伤，主要首层墙柱编号如图6所示，其最大反力见表3。在各组地震由于该墙竖向荷载较少，大震下拉力过大造成。对该墙采取在端波作用下，左右两端中部区域剪力墙在大部分工况下均出现了部加钢骨的加强措施，虽然不能改变墙肢受拉破坏的趋势，但钢拉力，剪力墙最大拉力达到9482kN（W29），即剪力墙受压损伤最骨和边缘构件均不再出现塑性应变，可以保证该墙局部损坏后严重部位（见图6），经计算除W29外，其余墙肢的竖向钢筋均可仍能承担自重；承担罕遇地震下的最大拉力，W29中钢筋的最大受拉承载力比（5）在各组地震波作用下，左右两端中部区域剪力墙在大部·128· 2016年12月建材与装饰规划与设计解析建筑结构设计中的不规则性问题吴晟彦（梧州市城乡建设规划设计院广西梧州市543002）摘要：随着经济水平的提升，城市建筑也越来越多，但随之出现的就是各种不规则建筑结构设计。本文则主要从建筑结构不规则性类型分析，并提出应对建筑结构设计不规则性措施，望给予建筑结构工作人员提供参考。关键词：建筑结构；设计；不规则性；问题中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：1673-0038（2016）50-0129-02前言建筑结构竖向不规则类型有以下几点：①楼层承载力突变，近年来，建筑业越来越重视建造过程中因环境和地质条件影即建筑结构相邻楼层在承载外部应力时，其剪应力表现出不同响造成的建筑不规则情况。这种不规则建筑在受力上会影响建结构情况。②侧向刚度不规则；以楼层侧向刚度值小于该楼层已筑设计工作有效开展，更重要会造成建筑结构在水平方向上的上相邻2~3个楼层侧向刚度平均值的80%或小于相邻楼层的偏心侧力，从而产生一定的扭转力和变形力，降低建筑结构抗侧70%。③楼层间质量突变；建筑结构相邻的下一楼层质量大于楼力，影响建筑质量，甚至还会增加建造成本。层质量的1.5倍为具体判断标准。④竖向抗侧力不规则；建筑结构以竖直方向上的抗侧力产生的内力借助水平转换构件向下传1建筑结构设计不规则性特点与类型递。1.1特点2建筑结构设计不规则性问题建筑结构设计不规则特征见表1。表12.1框架-剪力墙受力分析序号主要特征建筑结构设计不规则性问题中的重要组成部分即框架-剪包括竖向抗侧力构件不连续，侧向刚度不规则且楼层力墙，科学分析剪力墙结构对提高建筑抗震性能有着积极的促1竖向不规则结构承载力突变进作用。其中框架-剪力墙由框架和剪力墙共同组成，在抗侧力2平面不规则结构包括凹凸不规则、扭转不规则以及楼板局部不连续3复杂高层结构包括带加强层和转换层等多种结构形式单元中这两种要素在水平荷载作用下的变形性能和受力特点表4超规范结构超限、超高、新型结构现出不同。框架变形曲线受水平荷载影响多表现为剪切型切建筑楼层高度较高，但其层间位移没有较大的变化。但剪力墙变形1.2类型曲线则不同，其主要特点呈现弯曲型，其受到水平位移会因高楼1.2.1平面不规则层而有着明显变化。通常在计算建筑总框架剪切刚度中需要引一般建筑结构不规则主要分为楼板局部不连续、凹凸不规入相应的抗侧刚度值，其框架节点总是存在一定的转角情况。此则、扭转不规则三个类别。其中楼板局部不连续指在楼板某一位时如果发现结构刚度在不断扩大，会发现转角不断减少，甚至可置中其平面刚度和尺寸突然发生变化。凹凸不变化指在建筑结以对转角忽略，将其设置为单独固定值计算。框架-剪力墙的楼构的明面上凹进一侧的尺寸是投影总尺寸的30%。扭转不规则层组成分别为承担框架的剪力层和楼层剪力，计算公示：P=P1+为建筑结构每一个楼层中最大的弹性水平位置在该楼层两端平P2。与此同时在充分考虑建筑结构下部以及剪力墙层间没有明显均位移值得1.2倍以上或其最大值在位置平均值的1.2倍以上。的变形，十分容易受到框架变形情况影响，主要表现为，剪力墙1.2.2平面强度偏心剪力不断增大，框架剪力不断减少，墙底扶持效应会随着楼层高平面应力指所有应力都处于相同平面内，而平面应变则指所度上升而减少，部分和框架相同的建筑楼层的剪力水平也会出有应变处于相同平面内。通常十分容易忽略平面强度偏心对构现一定的差距，直到二者均出现单独受力现象。例如某地区学校造的影响。事实上在建筑中，钢筋、混凝土、钢构件都存有一定的的抗震设防烈度为Ⅶ度，其中行政教研楼为学校的主要办公大不确定性，从而造成结构设计强度和实际施工强度存有一定的楼，南北宽103.75m，东西长138.3m，建筑面积19300m。每一楼层差异，构建截面较易出现偏心情况。的最大限度弹性水平唯一尺寸必须是超过紧邻楼层两个端点之1.2.3竖向不规则!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!分工况下均出现了拉力，剪力墙受压损伤最严重部位最大拉力[2]李志山，容柏生，等.高层建筑结构在罕遇地震影响下的弹塑性时程分达到9482kN（W29），与墙肢损坏位置吻合。经计算核实，增加钢析研究[J].建筑结构，2006（6）.骨后，满足大震下端墙拉力要求。[3]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[S].[4]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[S].参考文献收稿日期：2016-11-13[1]《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[S].·129·