某双塔连体高层建筑结构弹塑性动力分析.pdf

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王伟：某双塔连体高层建筑结构弹塑性动力分析某双塔连体高层建筑结构弹塑性动力分析王伟(1．中国建筑科学研究院上海分院，上海200023；2．上海建科结构新技术工程有限公司，上海200023)摘要：利用MIDAS／Building程序对某双塔连体超限高层建筑结构进行动力弹塑性分析，结合该结构特点从不同角度分别研究结构在实际地震作用下将出现的破坏模式、塑性发展特点等。结果表明，罕遇地震作用下结构最大层间位移角为1／250，满足有关规范规定的限值要求，结构框架柱及连接体未出现破坏，筒体剪力墙底部加强区出现剪切型损伤。整个结构构件塑性铰出现顺序和分布较为合理，满足“大震不倒”的设防要求。关键词：双塔连体结构；弹塑性动力分析；高层建筑；超限；抗震性能DoI：10．3969／j．issn．1007-9963．2013．07．008ELASTIC—PLASTICDYNAMICANALYSISOFTHEDOUBLE—ToWERCoNNECTEDSTRUCTUREFoRTALLBUILDINGWangWei’(1．ShanghaiBranchofChinaAcademyofBuildingResearch，Shanghai200023，China；2．ShanghaiAdvancedTechnologyofBuildingConstructionCo．Ltd，Shanghai200023，China)ABSTRACT：Elastic—plasticdynamicanalysiswasperformedonthedoubletowerconnectedstructureofabuildingbyMIDAS／Buildingsoftwareundertherareearthquakeload．Failuremodesandplasticzonedevelopmentwereresearchedaccordingtothefeatureofthestructure．Resultsshowthatundertherareearthquakes，themaximuminter—storydriftsarelessthanthatoftherequirementsoftheChineseseismicdesigncode．Thereisnodamageinthecolumnsandconnectedstructure．Afewshearwallsofthetubearedamagedatthereinforcingareaofbottom．Theorderanddistributionofdamageinthecomponentsofthetubesarereasonable．Itcanfulfil1theseismicfortificationcriterionof“nocollapseunderrareearthquake”．KEYWORDS：double—towerconnectedstructure；elastic—plasticdynamicanalysis；tal1building；beyondthecode；seisruiebehavi0r双塔连体结构是目前最常见的一种连体结构甲级写字楼为主的综合性大型高层建筑，包括商业、形式l_】]。两塔楼之间的连廊使得联系较为便捷，办公和会议中心等功能，总用地面积约16805m，立面造型更加美观。但从结构上分析，两塔楼动力总建筑面积为76854rn，其中，地上建筑面积为特性不同，质量和刚度也不一样，在地震作用下，原50414In，地下建筑面积为26440rn。该工程地来独立发生振动的塔楼由于连廊的存在发生相互作下2层，地上2O层，建筑总高度为94．9ITI，连廊共2用、相互影响，出现较强的扭转耦联现象，使连接体层，位于第15、第16层，层高均为4．2m。两塔楼均部位的应力变得非常复杂。这种结构体系一般都属采用钢筋混凝土框架一核心筒结构体系，两塔楼之于超限结构，需要做深入细致的数值模拟分析]。间连接体采用钢桁架结构形式。该结构的三维模型对此类结构，规范规定要进行结构弹塑性计算分析，如图1所示，连接体层平面如图2所示。而对这种双塔连体结构，通常采用弹塑性时程分析。弹塑性时程分析可以真实地反映出结构在实际地震2结构弹塑性时程分析作用下的内力和变形，详细分析结构的薄弱环节，是采用MIDAS／Building软件进行弹塑性动力时一种较为精确的结构弹塑性变形验算方法]。程分析，研究了罕遇地震作用时该结构的抗震性能，本文针对某对称双塔连体超限高层建筑结构进通过考察关键构件的塑性损伤开展情况及变形能力行了罕遇地震下弹塑性时程分析，评估了该结构的的变化来确认结构是否满足罕遇地震作用下不倒塌抗震性能，并对其抗震设计给出建议。的抗震性能要求。作者：王伟，男，1980年出生，博士。1工程概况Email：wang．duanwei@126．corn收稿日期：2013—04—07拟建于宁波市梅山岛区域的某大厦，是一幢以Stee1Construction．2013(7)，Vo1．28，No．17433 工程设计．b0．一0￡￡s一图3混凝土本构关系曲线图1结构三维模型／一一．一一，一一一b／tj一s一。一一一E￡一一一一一图4钢筋本构关系曲线在本工程中，钢筋混凝土和型钢混凝土构件滞回曲线采用的是图5所示的修正武田三折线模型，该滞回曲线可以模拟构件的开裂强度和屈服强度。连体钢结构构件则采用了图6所示的标准双折线滞回模型。图2连接体层平面不意2．1力学性能参数设置2．1．1主要材料本构关系在对结构弹塑性分析时，首先要确认材料本构关系。本工程中，混凝土本构关系采用国家标准GB50010-2010{混凝土结构设计规范》中推荐的弹塑性损伤模型，混凝土单轴应力一应变关系曲线如图3所示，当混凝土由受压变为受拉时，混凝土退出工作；当混凝土由受拉变为受压时，混凝土发挥作用，承担压力。混凝土强度取其标准值。钢筋本构关系采用图4所示的双折线模型，该图5修正武田三折线模型模型中钢筋在屈服前、后的刚度取值不一致，与屈服前相比，钢筋在屈服后，其刚度采用折减后的刚度。2．1．3构件单元模型2．1．2构件滞回曲线梁单元采用MM塑性铰模型，该模型中假定弯构件滞回曲线是在反复荷载作用下构件的荷载一矩、轴力和扭矩之间相互独立且无关联。柱单元采变形曲线。它反映构件在反复受力过程中的变形特用PM相关的塑性铰模型。剪力墙单元采用纤维征、刚度退化及消耗能量的能力，罕遇地震作用下弹模型，杆件刚度由截面内和长度方向动态积分得到。塑性时程分析的基本参数就是构件的滞回曲线。墙元纤维模型如图7所示。34钢结构2013年第7期第28卷总第174期 王伟：某双塔连体高层建筑结构弹塑性动力分析数曲线在统计意义上相符。根据浙江省地震工程研究院提供的《某大厦工程场地地震安全性评价报告》，Pl(_】屯地震加速度时程曲线有效峰值取为169cm／s。，3条。地震波弹塑性时程分析采用3向输入，主方向、次方向与竖向的峰值加速度之比为1：0．85：0．65。／一，3计算结果分析P3．1整体性能指标表1给出了在罕遇地震作用下，结构最大楼层水平位移和最大层问位移角。由于该结构对人工波图6标准双折线滞回模型反应较为敏感，图8分别给出了人工波主方向分别为0。和9O。时，最大层间位移角曲线。表1罕遇地震作用下楼层最大相对水平田一位移及最大层间位移角注：“规范”指GB50011—2O10《建筑抗震设计规范》。a一竖向轴力和弯矩，一￡o+一口+bx；b一水平轴力和弯矩，￡一￡o+kxy—c+dy；c一剪力，7v一铒y+注：e、旬分别为单元内任意点的水平向应变、竖向应变m为单元内中和轴位置内的应变；、k分别为水平向、竖向曲率；z、Y分别为水平向、竖向变形；a、6d为任意常数；为剪切应变；、U分别为z、Y向剪应变。图7墙单元纤维模型2．2地震波的选用该大厦拟建场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0．1g，设计地震分组为第一组，场地土类型为软土，建筑场地类别属Ⅳ类，场地无液化地层，属可进行建设的一般场地。本工程采用的地震波由中国建筑科学研究院提供，选取地震波时，依据结构特征周期、频谱特性基本一致，最终选择2条天然波和1条人工波进行动力弹塑性时程分析。所选3条时程波的加速度曲线与地震影响系数曲线吻合程度较好，各条波的平均地震影响系数曲线在a一主方向0。，最大层间位移角1／285；主要周期点上的差值均控制在2O以内，其平均加b一主方向9O。，最大层间位移角1／250图8人工波主方向为0。和9O。时层间位移角速度曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系Stee1Construction．2013(7)，Vo1．28，No．17435 工程设计由表1、图8可以看出：1)罕遇地震作用下，结个方向的应变状态，从图9可以看出：1)在整个罕遇构楼层最大位移角时程包络值1／25o，满足规范不地震作用过程中，简体剪力墙出现剪切型损伤，特别大于1／100的要求；结构未出现倒塌现象。2)最大是底部加强区部位剪力墙，出现破坏等级大于5级层间位移角沿高度方向基本均匀变化，这表明该结的受剪损伤，经考察，绝大部分受剪破坏的墙肢位于构无明显薄弱层。洞口连梁位置；2)在整个罕遇地震作用过程中，剪力3．2结构损伤分析墙轴向应变基本处于弹性及开裂一屈服前状态，这3．2．1剪力墙损伤状态表明，混凝土并未出现明显的受压损伤。图9分别给出了某地震波作用20S后剪力墙3l125．_01i7．×10111．29×x-{)×l【r。im00．0II1(ba一￡Ib一；c—图9剪力墙应变状态意3．2．2连梁损伤状态随着地震波作用时间的增加，连梁在2S开始4结论出现屈服，最先出现破坏的位置位于核心筒剪力墙1)输入各工况罕遇地震波进行时程分析后，结之间，2OS后约占70的连梁形成塑性铰。除洞口构竖直不倒，主要抗侧力构件没有发生严重破坏，多连梁出现剪切破坏外，其余连梁仅出现弯矩塑性铰。数连梁出现屈服耗能，部分框架梁参与塑性耗能，但连梁出现塑性铰的过程可以消耗大量的地震能量。不至于引起局部倒塌和危及结构整体安全，罕遇地3．2．3框架梁、柱损伤状况震下结构性能满足“大震不倒”的要求。整个外框架在罕遇地震作用下基本保持弹性工2)在罕遇地震波输入过程中，结构的破坏形态作状态，部分框架梁的塑性损伤超过开裂强度水准，可描述为：结构连梁最先出现塑性铰；然后连梁损伤极少数超过屈服强度水准；框架柱塑性损伤大部分迅速发展并出现剪切损伤，随时程输入连梁损伤逐未达到开裂强度水准，结构外框架作为第二道设防步累积；结构部分框架梁进入塑性阶段参与结构整体系具有足够的富余。体塑性耗能；结构框架柱全部未进人屈服状态。3．2．4连接体结构损伤3)罕遇地震作用下，楼层位移角时程包络满足不大于1／lOO的抗震设防要求；从整体来看，结构在图1O给出了地震波作用20S后，连接体结构罕遇地震输入下的弹塑性反应及破坏机制符合结构的损伤状态。从图10可以看出，连接体范围内各构抗震的设计要求，结构整体安全，不存在倒塌危险，件在整个罕遇地震作用期间仍保持弹性工作状态，抗震性能达到“大震不倒”的抗震性能目标。表明了连接体各构件能承受罕遇地震作用。参考文献[1]吴晓涵，韦晓栋，钱江，等．双塔连体结构弹塑性时程分析[J]．地震工程与工程振动，2011，29(1)：51—58．[2]侯书利，张南，李俊峰，等．某复杂连体高层结构抗震设计[J]．建筑结构，2010，40(1O)：26—29．[3]建质(2010)109号．超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[s]．图1O连接体塑性铰状态(下转第49页)36钢结构2013年第7期第28卷总第174期