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1、超高层建筑在罕遇地震作用下的弹塑性时程分析李志山澳大利亚SCL数力顾问公司容柏生李盛勇广州容柏生建筑工程设计事务所汪大绥王国俭上海现代设计集团摘要超高层建筑在罕遇地震作用下的弹塑性时程分析是最为完善精确的抗震设计分析方法.但是由于软件和计算机资源的限制,它长期以来被认为是一项极为困难甚至几乎不可能的工作.本文根据软件和计算机的前沿成果和该分析的特点,发掘出其适用的方法及模型并总结出相应的分析流程及步骤.最后提供了实际工程算例分析.分析结果表明,该类分析是工程师可操作的并且不可缺少的设计工具.前言国内建
2、筑业的蓬勃发展,涌现出很多体型复杂的超高层建筑.抗震设计思想的发展PERFORMANCE-BASED的结构抗震设计思想ATC-40,FEMA356GB50011-2001明确提出要求精细至构件水平的弹塑性时程分析,是确保中震安全及大震不倒的抗震设计的重要依据.内容结构分析特点结构分析方法结构分析模型地震波的选取分析步骤算例介绍结语结构分析特点杆件,墙元数量多基本周期长(4-7秒)分层加载分析高度非线性过程避免构件出现塑性分析的收敛性对构件的刚度和强度很敏感.模型由简单到复杂弹性到塑性静力到动力结构分析
3、方法静力的非线性分析方法(PUSH-OVER).基本假定:由单一振型主导该振型保持不变水平力沿高度方向的模式:均匀分布第一阶振型适用范围:周期小于2秒规则结构Reference:“Prosandconsofapushoveranalysisofseismicperformanceevaluation”,Krawinkler,Engineeringstructure,V20,452-464.1998结构分析方法弹塑性时程分析严格的分析方法可以得到每一构件在每一时刻的内力和弹塑性位移计算量很大计算机性能要
4、求高软件求解器性能要求高结构分析模型非线性模型材料非线性(塑性区):应力-应变非线性,如钢材应力应变钢筋混凝土塑性損伤模型GB50010-2002附录C单轴受拉的应力-应变关系:钢筋混凝土塑性損伤模型GB50010-2002附录C单轴受压的应力-应变关系:二维应力状态下的曲服函数:特点:适用于钢筋混凝土单调加载,循环加载分析分布钢筋隅合混凝土可模拟混凝土材料在循环加载下的开裂-闭合过程是剪力墙壳元的一种模拟材料结构分析模型非线性模型几何非线性:平衡条件建立在变形后的位形上应变表达式包括位移的二次项单元
5、刚体位移不产生应变P-效应已自动考虑能模拟梁柱,剪力墙整体失稳后的状况结构分析模型动力模型:X:系统离散化后位移矢量(动力自由度).M:质量矩阵,通常简化成对角线质量矩阵.C:阻尼矩阵.K:刚度矩阵,通常是K=K(X).结构分析模型动力模型:空间杆壳模型:Xd动力自由度是每质点的水平和竖向位移Xd=TX,T=T(X)得到构件最为精确的内力SAP2000,ANSYS,ABAQUS,NASTRAN用该模型地震波选取天然波多数天然波对长周期系统的激励作用偏小如7度罕遇地震,6s周期系统的为0.077g.
6、若用KOYNA波,其为0.02g.人工波超高层对基底位移敏感改变天然波频谱特性,得到规范要求的值分析步骤建立模型避免短梁少输入次梁平面无限刚网格划分与弹性分析区别梁分成四段墙元每层至少分两段单元尺寸要尽量均匀分析步骤按施工顺序加载单元的“生”与“死”来模拟建造过程可每2-3层加一次可进行恐怖袭击验算设定某些构件刚度为零动力分析以施工顺序加载的最终应力状态作为初始应力状态工程算例--深圳丰隆中心感谢机械工业部深圳设计院提供建筑方案工程概况70层钢筋混凝土结构,高300.1米,42.6米×42.6米剪
7、力墙中心筒,21.3米×21.3米外圈框架三个加强层结语工程算例--深圳丰隆中心计算模型每层柱分两个单元每层剪力墙竖向分两个单元框架梁连梁分四个单元假定楼板在罕遇地震作用下屈服钢筋混凝土塑性損伤模型,剪力墙钢筋Y20@300双层双向拉通.地震波阻尼计算软件-ABAQUS工程算例--深圳丰隆中心结果显示总体信息(人工波,KOYNA波)动画时程屋顶位移时程塑性消耗能量时程构件水平的内力显示(人工波)筒体剪力墙的損伤时程连梁弯距时程框架梁弯距时程柱子基础反力时程工程算例—上海环球金融中心工程概况101层,高
8、502米分析模型总自由度数398000.结语塑性区,空间杆件壳元模型是超高层弹塑性时程分析一种可行,有效方法.现在的计算理论和计算机能力已能对所有在建或拟建的超高层进行该类分析
