某超高层建筑罕遇地震作用下弹塑性分析

1、某超高层建筑罕遇地震作用下弹塑性分 析王智宁显东陈万庆张学臣广西大学土木建筑工程学院中铁建设集团有限公司南宁分公司摘要：为研究某超高层建筑在罕遇地震作用下的结构反应，利用perform 3d软件对 其开展弹塑性时程分析。研究结果表明，在罕遇地震作用下，结构的最大层间位 移角满足规范要求;剪力墙基本处于弹性状态，框架梁和连梁为主要耗能构件； 结构性能能够达到所设定的性能目标。关键词：超高层建筑;抗震性能;弹塑性时程反应分析;耗能能力;作者简介：王智，工程师，e-ma订:1114050726qq. com收稿日期：2017-07-28基金：广西自然科学基金项冃(2015gxnsfaa139273)

2、received： 2017-07-28抗震设计通常是超高层建筑结构设计的重点，为评估超高层建筑的抗震性能， 通常可采用振动台试验或弹塑性分析方法。振动台试验费用较高，且存在尺寸效 应和相似性问题。与振动台试验相比，弹塑性分析方法通过建立结构的数值模型, 可开展多种工况下结构的地震响应分析，同时分析结果也能较全面地反映结构 的抗震性能。为研究广四某超高层建筑的抗震性能，利用perform-3d软件建立 计算模型，对其开展罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，并对其抗震性能进行 评估。1工程概况广西九洲国际大厦位于南宁市琅东新区，地下6层，地上71层，裙楼9层，建 筑总为高度301.6m，总建筑面积约

3、21.43万叫 钢管混凝土柱框架-钢筋混凝土 核心筒结构，ii类建筑场地，结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为6度。 主体建筑平面布置如图1所示，整体模型如图2所示。设计地震分组为第一组, 设计基木加速度为0. 05g。钢管混凝土柱混凝土强度等级c60;核心筒混凝土强度 在11层以下为c70,随着楼层数增加逐步调减，顶层混凝土强度降至c30。根据超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点口1可知，该结构高度和扭转 位移比均超过规范限值，需要开展动力弹塑性分析。图1标准层平面布置下载原图2目标性能水准根据美国fema356的相关规定，将结构或构件目标性能水准分为4级：(1)正常 使用；(2)可

4、立即居住(10) ; (3)生命安全(ls) ; (4)建筑物不倒塌(cp) o 以fema356为参考确定各构件在大震作用下的目标性能水准，如表1所示，表中 0 p为塑性转角。3建模方法动力弹塑性时程分析采用三维非线性结构分析软件perform 3d。perform 3d 可在整体结构、构件及材料等方面定义目标性能水准，通过结构抗震“能力”与 抗震目标性能“需求”的比较判断结构是否满足期望实现的抗震要求。整体模型 包含剪力墙、连梁、框架梁柱等构件，根据各类构件受力特点，用不同方法定义 了弹塑性性质。构件和材料的刚度、强度或屈服弯矩等参数依据gb50010-2010混凝土结构设计规范和gb50

5、011-2010建筑结构抗震设计规范选取。表1各构件在罕遇地震作用下的目标性能水准下载原表图2整体模型下载原图3.1构件的弹塑性模型1) 钢筋混凝土剪力墙常用的剪力墙弹塑性分析模型主要有3种，包括等效柱模 型、纤维截面模型和弹塑性壳元。其中，纤维模型采用钢筋混凝土材料的单轴应 力-应变关系，并通过塑性纤维的轴向变形过程模拟剪力墙的轴向-弯曲变形特 征。该模型不必采用墙集中塑性较的假定和双向弯曲互不耦联的假定，因此建模 过程屮采用此模型。2）柱和斜撑perform-3d提供多种柱、斜撑单元模型，包括fema梁柱模型、塑 性较模型和纤维模型。在木文的弹塑性分析中，柱和斜撑采用纤维模型模拟，该 模型

6、有以下特点：（1）基于平截面假定，可将柱、斜撑的内力变形关系转化为混 凝土、钢材和钢筋的应力-应变关系；（2）采用的铁木辛柯梁单元，能够考虑剪 切变形的影响；（3）具有较为自由的纤维划分输入方式，既可输入约束和非约 束的混凝土纤维，也可输入复杂的组合截面。其中钢管混凝土柱截面的有限单元 划分如图3所示。图3钢管混凝土柱有限单元划分下载原图3）梁框架梁和剪力墙连梁用弹性杆与曲率型塑性较相结合的模型模拟，如图4 所示。由于框架梁端可能会产生塑性变形，且通常分布在一定长度区域内，因此 采用曲率型塑性较较转角型塑性较更为合理。参照文献8关于塑性较长度的取 值方法，对于一般的梁构件取（0.50.7） h

7、, h为截面高度。图4梁的计算模型下载原图4）材料的木构模型采用双线型滞回模型模拟钢筋和钢材，并计入包兴格效应， 以考虑滞冋过程中的刚度退化。采用三折线模型模拟混凝土压应力应变关系，相 关参数根据混凝土结构设计规范附录c确定;对于配有篩筋墙段的混凝土采 用legeron等回提出的约束混凝土模型，以考虑箍筋对混凝土的加强作用。32结构的初始动力特性结构重力荷载代表值按1. 0倍恒荷载+0. 5倍活荷载的组合方式进行取值，通过 动力弹塑性时程分析得到结构的自振周期如表2所示。表2结构自振周期下载原表4时程分析4.1地震波的选取采用广西工程防震研究院提供的3组地震波，如图5所示。根据6度抗震设防的

8、要求，在罕遇地震作用下的地震波峰值加速度调整为125g,并按图1中x、y方 向幅值比为1 ： 0. 85双向输入。图5罕遇地震弹塑性时程采用的地震波下载原图4. 2时程分析 4. 2. 1地震位移反应分析表明，在所选取的3组地震波作用下，结构沿x和y方向的顶点位移响应相 近，图6给出了沿x方向结构的顶点位移时程曲线。表3给出结构在所选3条地 震波下x、y方向的最大顶点位移、最大基底总剪力、最大层间总体计算结果。对比可见，结构在大震吋的最大层间位移角满足规范限值1/100的要求。图6结构在x方向的顶点位移时程曲线下载原图表3结构最大地震反应下载原表4. 2. 2结构震害分布特点图7、9为结构在3

9、组地震波下x方向相对于10、ls、cp状态的最终损伤分布图, 图中颜色最深区域表示结构构件达到相应的性能目标。分析可知：（1）各地震波 下的结构反应基本-致；（2）剪力墙没有超过10状态，基本处于弹性状态；（3） 部分框架梁和大部分连梁达到10状态，少量框架梁和连梁英至达到ls状态，框 架梁和连梁均未达到cp状态，可见框架梁和连梁为主要的耗能构件；（4）除裙 楼的顶层柱达到10状态外，其余的柱均未达到10状态。4. 2. 3结构耗能耗能性能是量化结构抗震性能的重要指标之一。输入结构的地震能量一部分通过 动能和应变能形式转换输出，一部分由结构自身消耗。当结构处于弹性状态时， 能量输出主要由动能、

10、应变能和阻尼耗能组成；当结构有部分构件进入塑性耗能 状态时，结构阻尼比增大，这时阻尼耗能也相应增大。分析表明：弹塑性滞回耗 能约占结构总耗能的20%,因此可认为结构在罕遇地震下基木处于较弱的非线 性状态;框架梁和剪力墙连梁的耗能占到弹塑性滞冋耗能的90%,为主要耗能构 件，而剪力墙的耗能仅占总滞回耗能的10%,属于次要耗能构件。图7第1组地震波下x方向结构损伤分布下载原图图8第2组地震波下x方向结构损伤分布下载原图图9第3组地震波下x方向结构损伤分布下载原图5结语1) 结构x方向平均最大弹塑性位移角为1/291,结构在罕遇地震作用下的最大 位移角满足规范限值的要求。2) 在选取的3组地震波作用

11、下结构反应基本一致。剪力墙基本处于弹性状态， 部分框架梁和大部分连梁达到10状态，少量框架梁和连梁甚至达到ls状态，没 有框架梁和连梁达到cp状态。框架梁和连梁为主要耗能构件，剪力墙为次要耗 能构件。3) 弹塑性时程分析表明，此超高层建筑能够满足大震设防的要求，文中所采用 的分析方法可为类似超高层建筑的抗震设计提供参考。参考文献1 骆剑峰框架结构静力与动力弹塑性抗震分析对比研究d 上海：同济大学， 2007.2 欧进萍，侯钢领，吴斌概率pushover分析方法及其在结构体系抗震可靠度 评估中的应用j 建筑结构学报，2001, 22 (6) : 60-66.3 王亚勇，岳茂光，朱立刚，等高层建筑场地边坡的地震稳定性分析和工程 实践j 建筑结构学报，2016, 37 (4) : 165-172.4 郑竹，沈伟，马臣杰.pcrform-3d在某超高层结构弹塑性分析中的应用j 施工技术，2011, 40 (4) : 41-44.5 刘畅，段小x,魏琏，等某超限高层结构多程序弹塑性时程分析对比j. 建筑结构，2012, 42 (11) : 35-39.6 黄忠海，廖耘，李盛勇，等广州珠江新城东塔罕遇地震作用弹塑性分析j 建筑结构学报，2012, 33 (11) : 82-90.7超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点s, 2010.8 paulayt, priestleym