某平面不规则结构基于两个软件弹塑性时程对比分析.pdf

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第3O卷第4期土木工程与管理学报V01．3ONo．42013年12月JournalofCivilEngineeringandManagementDec．2013某平面不规则结构基于两个软件弹塑性时程对比分析郭昌溥，吴晓涵，李学平(1．同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092；2．同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海200092)摘要：某框架一剪力墙结构位于八度抗震设防区域，其平面投影形状为不对称哑铃型，属于高烈度下的平面不规则结构。采用NosaCAD和Perform一3D结构分析软件对该结构进行弹塑性时程分析，研究该结构在八度罕遇地震作用下的抗震性能。分析结果表明：罕遇地震下，塑性铰首先出现在剪力墙连梁上，部分柱子出现压碎，剪力墙仅出现受拉裂缝。结构最大层间位移角满足规范限值的1／100的要求。构件损坏顺序和损坏位置分布合理，构件损坏过程能耗散一定的地震输入能量。结构可以满足“大震不倒”的抗震设防要求。计算结果表明，两个软件结果具有相似性，结构的整体反应、薄弱部位、损伤分布情况等较为吻合。建议在复杂结构设计过程中若具备条件，可采用多软件进行弹塑性分析，取其包络值为判定标准以确保结构安全。关键词：平面不规则；框架一剪力墙结构；弹塑性时程分析；NosaCAD；Perform-3D中图分类号：TU973文献标识码：A文章编号：2095-0985(2013)04-0033-07Elasto—plasticTimeHistoryAnalysisofanIrregularPlaneStructureBasedonDoubleSoftwaresGUOChang—tuan，Xiao—ban，LIXue-ping(1．ResearchInstituteofStructuralEngineeringandDisasterReduction，TongjiUniversity，Shanghai200092，China；2．ArchitecturalDesignandResearchinstituteofTongjiUniversity(Group)CoLtd，Shanghai200092，China)Abstract：Withanasymmetricaldumbbellshapeinprojection，oneframe—shearwallstructure，whichislocatedin8seismicintensityarea，isanirregularplaneframe—shearwallbuildingstructureinthehighseismicintensityarea．Inthispaper，inordertostudytheseismicbehaviorofthestructureunderrareintensityof8degreeearthquakes，NosaCADandPerform一3Dwereusedtoperformelasto—plastictimehistoryanalysis．Theresultsindicatethatunderrareearthquake，theyieldinghingesfirstlyoccuronsomecouplingbeams．Thelimitedconcretehascrushedonsomecolumnsandtheshear-wallwasonlydamagedwithsometensilecracks．ThemaximuminterstorydriftofthestructurecanmeettherequirementofChinesecode．Theorderanddistributionarerational，andtheprocesscandissipatetheearthquakeenergyonsomedegree．Thestructuresatisfiesthecoderequirementsofnocollapseunderrareearthquakes．Thecalculationresults，suchastheglobalresponse，weaklayeranddamageconditiongotbythetwopiecesofsoftwareshowanagreementtoacertaindegree．Itissuggestedthattheenvelopevalueofmulti—softwareanalysiscanbeusedtoensurethesafetyofsuchcomplexstructureinpracticalprojects．Keywords：iregularplane；flame—shearwallstructure；elasto—plastictimehistoryanalysis；NosaCAD：Perf0rm一3D收稿日期：2013-08-13修回日期：2013—10—12作者简介：郭昌溥(1989一)，男，福建泉州人，硕士研究生，研究方向为建筑结构抗震非线性分析(Email：385653193@qq．aom) ·34·土木工程与管理学报1工程概况鸿运·金茂综合体为大型城市综合体项目，位于甘肃省兰州市城关区核心地段，庆阳路与平凉路交汇处。本项目一二期主要由2栋超高层建筑(A、B楼)以及商业裙楼组成，一期总建筑面积为28万m。其中A塔楼(高塔)位于一期用地东南角，B塔楼(低塔)位于一期用地西北角。A、B塔楼与商业裙楼之间通过地上设抗震缝分开，防屈曲支撑形成3个独立的结构单体(A塔、B塔、裙楼)。综图2裙楼一层平面图合体效果图见图1。楼B塔裙图1综合体效果图图3裙楼屋顶平面图本文选取商业裙楼为研究对象，对其进行抗时按照建质[2006]220号《超限高层建筑工程抗震性能研究。商业裙楼地下室共4层，B4至B1震设防专项审查技术要点》对该结构进行超限判层层高分别为4．01TI、4．Om、6．2m、7．0m，其中B2定，结构属于超限高层建筑结构。结构的超限情层部分设一夹层(层高3．1m)，B1层为商业，其况主要体现在扭转不规则，凹凸不规则，楼板不连下各层为设备用房及汽车库，部分战时用作人防续，尺寸突变和局部设有穿层柱、斜柱等五个方区域；地上共8层，业态以商业、娱乐、餐饮为主，面。由于结构的不规则性及其建造环境于8度抗屋顶部分用作设备用房。其中，一层层高6．0m，震设防区域，需对其进行罕遇地震下的弹塑性时上部各层层高5．4m，结构总高度为43．801"13。程分析，考察其在八度地震下的损伤及变形情况。与A、B塔楼结构分开后的裙楼结构平面，南商业裙楼设计标准及基本参数见表l。北向总长135．8m，东西方向总宽134．4m，呈不表1裙楼设计参数对称哑铃形平面。此外，由于南北贯通的通廊区工程名称鸿运·金茂综合体裙楼域交通及商业需要，该区域楼板开洞较多，南北块的楼板联系相对被削弱(图2)。墙体位置多在角抗震设防分类标准重点设防类(乙类建筑)部，以增加结构抗扭性能。考虑到建筑空间的开裙楼结构体系框架剪力墙结构敞性，针对主体结构超长，平面及荷载分布不规则结构安全等级二级等特点，且因防屈曲支撑(BRB)在地震作用下相裙楼结构高度43．80m比于普通斜撑能够提供稳定承载力，将结构部分剪力墙改为消能减震装置BRB构件，满足建筑功2弹塑性分析模型和方法能要求，同时增加结构的安全性和可修复性。本工程六层以下竖向规整，但从六层屋面开始，裙楼2．1NosaCAD构件有限元模型屋顶逐层退进。结构平面图和裙楼屋顶平面图分本文中，框架梁、框架柱、支撑采用三段变刚别参见图2、3。度杆单元模型，由位于中部的线弹性区段和位于根据GB50011—2010((建筑抗震设计规范》的杆两端的弹塑性段组成⋯。梁单元只发生弯曲相关规定，该高层结构属于平面不规则结构。同破坏，其受弯弹塑性变形集中在杆端附近的局部 第4期郭昌溥等：某平面不规则结构基于两个软件弹塑性时程对比分析·35·区域，塑性铰只在杆件两端出现，因此梁单元可以但考虑正交方向上应力状态对强度的影响。简化为由两类区域组成的三段变刚度杆单元模结构中的防屈曲支撑(BRB)构件，采用两端型_2J：位于中部的线弹性区域和位于两端的定长铰接的桁架单元进行模拟，桁架单元中的钢材纤弹塑性区域。混凝土框架梁单元截面的弹塑性段维采用理想弹塑性的二折线模型，考虑了对称的弯矩一曲率骨架曲线采用三折线模型．4J，三折线单轴拉压本构关系。为充分模拟到其进入塑性状模型滞回曲线如图4所示。由于框架柱承受双向态的变形，假定整根杆件都为弹塑性区域。弯矩和轴力共同作用，框架柱单元采用纤维模型，因为结构为典型的平面不规则结构，所以在纤维模型中的混凝土本构考虑受拉应力，梁、柱混NosaCAD中结构楼板采用弹性板单元进行模拟。凝土构件以边缘混凝土达到极限压应变为破坏条2．2Perform-3D构件有限元模型件，如图5所示。钢和钢筋纤维采用理想弹塑性Perform一3D中非线性杆单元模型采用与的二折线模型，并考虑屈服强化，屈服后的弹性模NosaCAD类似的三段变刚度杆，如图6所示。弹量取初始值的1％。剪力墙的暗柱在采用塑性区段受力一变形关系采用弯矩曲率模型或纤NosaCAD建立模型时，已作为柱单元建立在剪力维模型。Perform-3D中未直接建立剪力墙边缘暗墙边缘，和剪力墙相互作用。柱，采用对剪力墙边缘纤维进行相应放大以模拟暗柱的影响。Perform一3D中采用宏观分层单元来，，／模拟剪力墙构件。本文采用Generalwall单元模一拟剪力墙构件。Generalwall单元通过宏观分层，，，M模型模拟剪力墙的弯曲、剪切、斜向受压等力学特，性。剪力墙的剪切特性是通过定义其剪切强度来实现的，本文的剪切特性是通过定义混凝土材料，，，的剪切强度来实现的j。由于Perform．3D墙单M元的结点不具备旋转自由度，故梁与墙体的连接，／需采用施加内嵌梁的方式连接(图7)。Perform一(肋，州)3D中采用专门的防屈曲支撑(BRB)单元来模拟图4NosaCAD三折线弯矩一曲率滞回模型防屈曲支撑(BRB)构件。本文结构模型杆件数／。c)目较多，当结构模型因为平面不规则采用弹性楼板时，计算速度偏慢，无法收敛，为了提高计算效d率，本文结构采用局部刚性楼板假定，在结构的连口。接削弱处采用弹性楼板，其余部位采用刚性楼板A假定进行模拟(图2)。，，qt-弹塑性段一弹性段一弹十牛段一n，，一，图6Perform一3D非线性杆件模型，，梁单元图5NosaCAD混凝土本构模型一曲率模型ll_I】剪力墙体采用平板壳精细有限元模型，平板萤璺壳单元由平面应力单元(膜单元)和板单元组合而成。壳单元考虑面内非线性，面外弹性。壳单i。li1元中的膜单元带有旋转自由度j，可以方便地与内嵌柒与舅力墙连接传递柒梁进行连接。墙体单元中的钢筋分布采用弥散模图7剪力墙内置内嵌梁式，在壳元表面两个受力方向上按配筋率均匀分2．3整体结构的计算模型布。钢筋的本构模型采用理想弹塑性模型。混凝Perform．3D、NosaCAD分别建立空间分析模土本构模型采用单轴等效应力一应变关系模型'型(图8)，并采用以下相同的基本假定：(1)模型(Darwin．Pecknold模型)，单轴等效应力．应变关系不包括地下室，地面作为结构嵌固端；(2)按照滞回曲线与纤维模型中的混凝土本构模型相同， 第4期郭昌溥等：某平面不规则结构基于两个软件弹塑性时程对比分析·37·鲫∞如O加∞∞舳由于本结构为不规则结构，并且其建造地区为8度抗震设防区域，所以结构的地震响应较为强烈。结构在相同加速度峰值的不同地震波作用下反应相差较大。罕遇地震下，对比三条地震波的时程分析结果。可以得到LA波输入的地震响应相比LN1波、LN2波的更为剧烈。最大层问位移角出现在N5结点串顶层，NosaCAD中的值为1／132，Per—6Oform-3D中其值为1／141。分析结果表明，结构主4O要竖向构件的最大层问位移角都满足1／100的规2O范限值要求。目0图11、12为两个软件分别计算所得8度罕遇-20LN1、LN2波地震作用下N1(5层)结点的位移时-40程曲线。可以看出，两软件的模型在不同地震波．60作用下相同结点位移时程数值有所差别，时程曲05l015202530时间／s线走势一致，计算结果吻合较好。(b)y方向位移时程图128度罕遇LN2波地震作用N1(5层)结点位移时程对比位移角／rad(a)向层间位移角包络图U)lU1，2U25jU时间／s(b)方向位移时程图118度罕遇LN1波地震作用N1(5层)结点位移时程对比(b)问层f刚位移角包络例图13、14给出了8度罕遇IA波输入下两软图138度罕遇LA波地震作用下N1的件的模型中个别观察点的层问位移角包络图。在层问位移角包络图LA波作用下，对比两个软件分别计算得到的结构设定全弹性楼板而出现较多连接削弱部位的Nl和N5结点串、l，向层间位移角包络图，可以NosaCAD模型中N1层间位移角包络值。对比两发现，两个软件下的N1层间位移角包络图走势软件下靠近楼板削弱位置的N5结点串、l，向的相同，N5层间位移角包络图变化趋势基本一致。层问位移角包络图，NosaCAD的值总体上不再小在图13中，远离楼层刚度中心的N1结点串在于Perform一3D，说明由于结点串位置的变化，在离Perform一3D模型中计算得到的包络值基本大于楼层刚度中心较近的区域，局部弹性楼板，分块刚NosaCAD，说明Perform-3D中Nl结点串由于局部性楼板的模型的层间位移角包络值受刚性楼板影弹性楼板，分块刚性楼板的影响，结构中的刚性楼响较小，能够较接近于全弹性楼板假定下计算得板区域都为强连接，结点串上的5个结点绕着刚出的值。性楼板的刚度中心作统一转动，转动幅度大于因 第4期郭昌溥等：某平面不规则结构基于两个软件弹塑性时程对比分析·39·与NosaCAD近似，主要是为了提供稳定的承载力屈曲约束支撑(BRB)个别进入到了屈服状态，说和刚度。明两个软件得到的杆件内力存在着一定差异。对(4)从两个软件的破坏顺序来看，结构的破比防屈曲约束支撑(BRB)耗能在结构总的非线坏首先都发生在剪力墙连梁上，随后部分主梁出性耗能所占比例，BRB对结构非线性耗能几乎没现塑性铰，之后柱子钢筋屈服，最后发生个别柱子有影响，防屈曲约束支撑的主要功能是为了代替底部混凝土的压碎破坏。设计满足了“强墙肢弱剪力墙，提供稳定的承载力和刚度。连梁”、“强柱弱梁”的原则，在罕遇地震作用下作为抗震第一道防线的连梁首先发生屈服破坏，耗参考文献散了一定的能量，避免或减小了剪力墙的破坏，结构整体能满足大震不倒的要求。[1]孙方涛，吴晓涵，吕西林．竖向地震作用下某大跨悬挑结构反应分析[J]．结构工程师，2009，25(4)：71—77．5结论[2]顾祥林，孙飞飞．混凝土结构的计算机仿真[M]．上海：同济大学出版社，2002．(1)Perform-3D、NosaCAD两个程序计算得到[3]吕西林．复杂高层建筑结构抗震理论与应用[M]．的自振周期和振型吻合较好。北京：北京科学出版社，2007．(2)对比两个软件的计算结果，NosaCAD和[4]吕西林，金国芳，吴晓涵．钢筋混凝土结构非线性有Perform．3D所得结构的动力响应基本相同，结构限元理论与应用[M]．上海：同济大学出版社，损伤情况基本一致。2002．(3)两个软件中结构在8度罕遇地震作用[5]龙志飞，岑松．有限元法新论：原理·程序·进展下，结构变形满足层问位移角限值要求，总体上塑[M]．北京：中国水利水电出版社，2001．性铰首先出现于上部楼层结构的剪力墙连梁位置[6]吴晓涵，吕西林．反复荷载下混凝土剪力墙非线性有限元分析[J]．同济大学学报，1996，24(2)：117—处，随后框架梁出现损坏，结构构件的损坏顺序说123．明结构符合“强墙肢弱连梁”、“强柱弱梁”的设计[7]DarwinD，PecknoldDA．AnalysisofRCshearpanels要求，并且有利于结构合理地耗散地震波输入能undercyclicloading[J]．JournaloftheStructuralDi—量，整体结构能满足“大震不倒”的抗震设防要vision，1976，102(2)：355—369．求。[8]曾明，刘博文．PERFORM一3D基本操作和原理(4)结构在所选3条波的八度罕遇地震作用[M]．北京：北京工业大学，2012．下，NosaCAD中的防屈曲约束支撑(BRB)都未屈服，保持着弹性阶段的刚度。Perform一3D中的防