特大地震作用下超限高层结构破坏特点分析

特大地震下超限高层结构破坏特点分析析/报告人：焦焦柯2014.11.22Content1、特大地震下框筒筒结构破坏坏特点分析2、受拉拉剪力力墙墙抗震震性性能能分分析析3、高高层层结结构构抗抗震震优优化化设设计计软软件件GSOPT应用1、特大地震下框框筒结构破坏坏特点分析3007地块框架核心筒172.0m005地块框架核心筒174.6m港航中心框架核心筒248.5m绿地中心框架核心筒175.2m实际发生的几次大地震远大于建建筑物设防要要求。针对7度区7栋按中国规范范性能C设计的超高层层框筒结构，，通过加载特大地震（400cm/s2），分析这7栋超高层结构构的破坏特点点。1、特大地震下框框筒结构破坏坏特点分析7栋超高层结构构模型4城际中心框架核心筒172.4m华强1栋钢框架核心筒299.7m华强3栋框架双核心筒183.3m1、特大地震下框框筒结构破坏坏特点分析构件类型大震（所占组百分比）特大地震（所占组百分比）连梁B至IO：占45%IO至LS：占25%LS至CP：占10%B至IO：占15%IO至LS：占35%LS至CP：占50%框架梁B至IO：占40%IO至LS：占20%LS至CP：占2%B至IO：占35%IO至LS：占30%LS至CP：占15%007地块-梁破坏大震特大地震特大地震计算算发现破坏特特点：（1）梁损坏严重重，框架柱损损坏较轻；（2）部分剪力墙墙损坏严重；；（3）剪切破坏是是结构整体失失效的主因；；1、特大地震下框框筒结构破坏坏特点分析大震特大地震007地块-柱破坏构件类型大震特大地震框架柱塔楼顶、裙房顶、加强层上下层拉弯破坏破坏范围和程度加大剪力墙个别墙剪切破坏部分墙剪切破坏：核心筒刚度突变处、加强层及结构底部构件类型大震（所占组百分比）特大地震（所占组百分比%）框架柱B至IO：占2%IO至LS：占1%LS至CP：占0%B至IO：占5%IO至LS：占2%LS至CP：占1%剪力墙B至IO：占30%IO至LS：占2%LS至CP：占1%B至IO：占40%IO至LS：占5%LS至CP：占10%23层以上部分剪力墙取消位置的剪力墙剪切破坏1、特大地震下框框筒结构破坏坏特点分析特大地震：剪剪切破坏主要要出现在核心心筒刚度突变变处、加强层层、底部剪力力墙。绿地中心21层以上剪力墙取消底层剪力墙破坏首层外围剪力墙出现拉拉弯屈服华强1栋加强层剪力墙剪切破坏剪力墙拉弯屈屈服1、特大地震下框框筒结构破坏坏特点分析特大地震：结构竖向无无明显刚度突突变，只有个个别墙肢剪切切破坏！城际中心剪力墙剪切破坏范围较小少量剪力墙拉拉弯屈服部分墙肢轻度度损伤，未发发生严重受压压损伤华强3栋1.1特大地震下结构整整体破坏时时若干干指标标分析基底剪剪力和和位移移角9

基底剪力比值位移角比值层间位移角

7度/小震8度/小震8度/7度7度/小震8度/小震8度/7度8度007地块5.917.651.296.438.061.251/116005地块6.057.551.256.358.081.271/119绿地中心5.427.391.365.549.111.641/101华强1栋4.154.361.056.476.921.071/104港航中心4.387.171.644.419.052.051/70城际中心4.565.571.225.4811.982.191/84华强3栋3.666.151.688.1212.321.521/66平均值4.886.551.346.119.361.531/901）007地块、005地块和和绿地中中心：：取消上部剪剪力墙竖向刚刚度突突变，，层间位移移角较小，但出现现剪力墙墙剪切切破坏；2）华强1栋：加强层层造成刚刚度突突变，层间位位移角角较小，，出现现剪力墙剪切切破坏。。3）港航中心心、城城际中中心和和华强强3栋：破坏时时刻的的层间间位移移角较较大，虽然华强3栋存在框框支结结构，，但框框支剪剪力墙墙为斜斜墙，，避免免了刚刚度突突变现现象。。1.1特大地震下下结构整整体破破坏时时若干干指标标分析析位移移比比10

007地块005地块绿地中心华强1栋港航中心城际中心华强3栋小震位移比1.211.411.391.011.031.121.23破坏时刻位移比1.331.551.291.001.011.151.60总结结：：小小震震计计算算位位移移比比较较大大，，则则特特大大震震下下结结构构破破坏坏时时的的位位移移比比也也较较大大；；位位于于外外框框的的剪剪力力墙墙破破坏坏，，对对结结构构的抗扭刚度度削弱更大，，位移比也也更大。007地块项目左左右两边柱柱位移22s时刻由于结构破破坏比较严重，楼层位移比增大。构件破坏比较严重1.1特大地震下结构整体破破坏时若干干指标分析析框架柱分配配剪力11总结：特大大地震下框架柱二道防线起起一定的作用，由于框架架梁过早屈屈服出铰，，框架柱作作用有限；；即使框架架柱分配剪剪力较大，，框架柱最大剪压压比没有超过0.15。最大值0.0981.1特大地震下结构整体破破坏时若干干指标分析析结构耗能分分析007地块构件塑塑性耗能城际中心构构件塑性耗耗能剪力墙耗能明显增大总结：应避避免剪力墙塑性耗能突然增加，提高墙肢延性。25s右侧墙剪切切破坏21s左侧墙剪切切破坏剪力墙耗能平缓增加1.2剪压比控制问题剪力墙抗剪剪承载力分分析厚度700mm，长度7150mm，混凝土土等级为为C60，抗压强强度标准准值38.5N/mm2，抗拉强强度标准准值2.85N/mm2，水平和和竖向分分布钢筋筋配筋率率0.6%，暗柱配配筋为400*10mm方钢管；混凝土模模型型钢模型型钢筋模型型总结：在在无轴向力力或在轴心受受拉作用用下，剪力力墙抗剪剪承载力力显著下降！初始荷载剪力墙破坏时加载剪力值剪压比破坏形式0.2fc*A轴压力作用20250kN0.116剪切破坏无轴力9200kN0.053剪切破坏ft*A轴拉力作用2200kN0.012剪切破坏1.2剪压比控制问题剪力墙抗抗剪承载载力分析析0.2fcA轴压力下剪力墙受拉损损伤剪力墙钢钢筋应力力在无轴力作作用下剪力墙受拉损伤剪力墙钢筋应力加载到9200kN剪力墙出现明显斜裂裂缝。分布钢筋筋及端部部边缘构构件的钢钢筋均屈服。加载到20250kN剪力墙突然发发生剪切切破坏，分布钢筋及端端部边缘缘构件的的钢筋均均屈服剪力墙钢筋应力力在ft*A轴拉力作用下剪力墙受拉损伤加载到2200kN剪力墙出现剪切破坏。分布钢筋屈服，端端部边缘构件件的钢筋未屈屈服。1.2剪压比控制问题剪力墙抗剪承承载力分析取整体模型剪力墙的最不利轴轴力弯矩组合合进行正截面面承载力验算算，都满足要求；墙在最小轴压力力554kN时，弯矩值1534kN.m，剪力9865kN（剪压比约0.06），接近剪切切破坏。墙正截面承载载力验算总结：钢筋混混凝土墙肢的的轴向压力较较小或处于受受拉状态时，，按规范性能能水准4的剪压比限值值0.15控制受剪是不不够的。

结构体系高度(m)层数高宽比核心筒尺寸筒高宽比最大拉应力/ftk沈阳华强1栋钢框架-核心筒299.7708.424.5*24.512.22.5珠江新城F2-4地块框架-核心筒280.0556.119.2*21.214.51.5广州华南国际港航中心框架-核心筒248.5525.921.6*21.611.51.0德国中心框架-核心筒239.4586.020.6*23.011.61.1沈阳华强3栋框架-双核心筒183.3536.98.9*17.720.61.4广州金融城绿地中心框架-核心筒175.2404.812.3*38.114.22.2广州金融城005地块框架-核心筒174.6435.210.5*42.016.61.9广州城际中心框架-核心筒172.4395.013.9*30.712.41.7广州金融城007地块框架-核心筒172.0405.012.1*37.514.22.2琶洲AH041006地块框架-核心筒160.0377.111.0*24.014.53.9珠江新城D3-2地块框架-剪力墙157.0364.412.8*18.012.31.5粤电中心框支-剪力墙154.0335.011.4*22.613.51.42、受拉剪力墙抗震性能分析析根据7度区12栋超高层结构构的统计，在在双向中震作用下底部部剪力墙拉应力一般在在1.0~2.5ftk之间，当核心筒偏置时，会出现更更大拉应力比比。2、受拉剪力墙抗震性能分析在中震作用下底底部剪力墙拉应力不大于2*ftk时，目前常规规的处理办法法是在剪力墙墙内埋置型钢钢或钢板来承受中震产产生的拉力。当底部剪力墙拉应力力大于2*ftk时，加型钢能否满满足结构抗震性能要求？2、受拉剪力墙抗震性能分析

1.0恒+0.5活地震力组合拉力放大后的地震力放大后组合拉力拉应力比放大系数轴力（kN）-94012021210811228391337724%W1剪力墙拉力（正值值为拉，负为为压）中震不屈服计计算的拉力放大软件计算的中震不屈服设计最大拉力，包括了因为结构不不满足规范对对剪重比、刚刚度比、承载力比等的要求所进行行的楼层地震震力放大，譬譬如琶洲项目W1墙肢不满足剪重比要要求，放大1.127，按放大后的组组合内力计算算墙肢拉应力力比3.94，若按不放大地震力计算拉应力比3.19，放大了24%。总结：根据中震计算判断受拉剪力力墙时，不宜宜调整楼层地地震力，否则则偏心受压墙墙可能判断为为偏心受拉墙墙，或增大拉拉应力比。2、受拉剪力墙墙抗震性性能分析琶洲AH041006地块采采用框框架-核心筒筒体系系，高160m，1-4层型钢钢混凝土土柱，，5层及以上钢钢筋混混凝土土柱，剪剪力墙墙厚度底底部800mm收至顶顶部500mm，剪力力墙和和柱混混凝土土强度度C60，型钢钢强度度Q345，标准层层平面面核心心筒偏偏置。大震采用PERFORM-3D软件计计算。。三维计计算模模型首层平平面示示意图图中震计算墙肢拉应力力比超过过3.0，分析墙内加型钢对抗拉性能影响。。2、受拉剪力墙墙抗震性性能分析构件中震性能要求（性能C）中震计算结果大震性能要求（性能C）大震计算结果验算情况底部加强区剪力墙抗弯不屈服，抗剪弹性未出现超筋抗弯、抗剪不屈服底部部分剪力墙拉弯屈服；个别剪力墙剪切破坏中震满足，大震不满足主要Y向的转角剪力墙墙出现现剪切切破坏坏底层剪剪力墙墙发生生屈服服底部楼楼层剪剪力墙墙混凝凝土发发生轻微受压损损伤本工程程性能能目标标定为为C，由于于在大震震作用用下底底部加加强区区剪力力墙出出现拉拉弯屈屈服和和剪切切破坏坏，结结构不不能满满足性性能C抗震性性能要求求。2、受拉剪力墙墙抗震性性能分析中震16871kN大震12600中震3045kN中震8228kN.m大震1177大震-1350墙W4中震与大震下下拉力最最大时时刻内内力比较：（1）大震震下下剪剪力力墙墙最最大大拉拉力力小于于中中震反反应应谱谱法计算算拉拉力力；；（2）底底部部轴轴拉力力最大大时时刻刻，弯弯矩矩较小小，，剪剪力力并并不不小。总结结：：偏偏心心受受拉拉剪剪力力墙墙抗抗弯弯、、抗抗剪剪能能力力大大大大削削弱弱，，加加型型钢钢不不单单解解决决抗抗拉拉，，还还要要解解决决抗抗剪剪问问题题。。轴力力剪力力弯矩矩2、受拉拉剪力力墙墙抗震震性性能能分析析

基底剪力(kN)层间位移角模型1（无型钢）553621/109模型2（1倍型钢）571101/108模型3（2倍型钢）598551/108最大大基基底底剪剪力力和和层层间间位位移移角角3133778291609524451模型型1模型型2模型型362674156583219048902三种种计计算算模型型比较较：：1~3层加型型钢钢1倍型钢钢：按按照照中中震震墙墙肢肢轴轴拉拉力力计计算算的的型型钢钢面面积积。。2、受拉拉剪力力墙墙抗震震性性能能分析析AZ1暗柱柱钢钢筋筋应应变变时时程程曲曲线线无型型钢钢最最大大拉拉应应变变0.00351倍型型钢钢最最大大拉拉应应变变0.00252倍型型钢钢最最大大拉拉应应变变0.0015最大大压压应应变变变变化化不不大大三种种计计算算模型型比较：：无型型钢钢：暗柱区钢筋的拉应应变超过屈服应应变，受拉拉屈服服；1倍型钢钢：暗柱区钢筋筋屈服服但仍处于IO状态，拉应变变减小30%；2倍型钢钢：暗柱区钢筋处于弹弹性状状态，，没有有出现现屈服，拉应变变减小50%。2、受拉剪力墙墙抗震性性能分析1倍型钢剪剪力墙未出现现屈服1倍型钢个别暗柱出出现屈服三种计计算模型比较：：1倍型钢：结构底部剪剪力墙墙未出出现剪剪切破破坏，，也未未出现现拉弯弯屈服服，个个别暗柱钢筋受受拉屈屈服，，处于于IO状态，，仍不不满足足性能能C要求。2倍型钢钢：结构底底部剪剪力墙墙未出出现剪剪切破破坏，，也未未出现现拉弯弯屈服服，暗暗柱钢筋未出现现屈服服，满足足性能C要求。2倍型钢剪剪力墙未出现现屈服2倍型钢暗柱没有出现屈服2、受拉剪力墙墙抗震性性能分析混凝土土模型型型钢模模型钢筋整整体模模型

最大轴拉力（kN）剪力（kN）弯矩（kN*m）无型钢12600117713501倍型钢22640165044962倍型钢3141718998447总结：：配置型钢越越多，大震下下剪力墙墙最大拉力越大。。首层W4墙肢采用ABAQUS精细有有限元元计算。首层层高高6m，剪力力墙厚厚700mm，长3000mm，水平平和竖竖向分分布钢钢筋配配筋率率0.6%，暗柱柱钢筋筋面积积7056mm2，单根根型钢钢面积积24451mm2。2、受拉剪力墙墙抗震性性能分析模型1钢筋Mises应力模型2钢筋和型钢钢Mises应力模型3钢筋和型钢钢Mises应力力无型型钢钢：：加载载后后，，纵纵向向受拉拉钢钢筋筋屈屈服服并并进进入入强强化化阶阶段段，，墙体体受受拉破破坏坏。1倍型型钢钢：：加载载后后，，暗暗柱区区钢钢筋筋受受拉拉屈屈服服，，但但仍仍继继续续承承受受剪剪力力和和弯弯矩矩。2倍型型钢钢：：加载载后后，除除加加载载区区域域附附近近外外，钢钢筋筋和型型钢钢未未出出现现屈屈服服。总结结：：当中震拉应应力力比比超超过过2时，，应应适适当当增增加加型型钢钢用用量量。。当当拉应应力力比接接近近3时，，型型钢钢用量量加加倍倍可满满足足抗抗震震性性能能要要求求。高层层混混凝凝土土结构构优化化计计算算难难点点：：计算算规规模模大大，，结结构构体体系系复复杂杂；；约束条件多，，满足规范的的控制条件；；不是单纯数学学问题，涉及及抗震设计概概念、构造要要求；变量不不连续续，按按模数数变化化；开发GSOPT软件基于优优化理理论和和结构构设计计概念念，通通过优优化设设计软软件实实现自自动进进行结结构调调整，，代替替经验验性的的人工工调整整、验验证性性设计计。相比国国外通用优优化软件如如HyperStudy，针对性强强，效率更更高，适合合结构设计计专业应用用。适用各类优化目目标结构造价、、用钢量、、刚度、位位移角、剪剪重比等；；3、高层结构构抗震优化化设计软件件GSOPT应用27响应面算算法基本本原理数据实验验中心复合合实验全因子实实验数据拟合合选用一次次或二次次拟合；；高阶响应应面拟合合：抽样样数量将将显著增增加，容容易产生生震荡。。二次规划划通过迭代代计算得得到目标标值最小小（大））值点；；内点法——在可行域域边界上上设置一一道屏障障，当迭迭代过程程靠近可可行域的的边界时时，目标标函数数数值迅速速增大；；混合法——在非可行行域人工工制造梯梯度，解解决初始始点在可可行域外外的问题题。3.1响应面算算法28

3、高层结结构抗震震优化设设计软件件GSOPT应用约束壁垒垒厚度问问题内点法制制造约束束壁垒；；若迭代步步长过大大，可能能会跨过过约束，，造成无无法收敛敛或在不不可行域域内迭代代等问题题；运用阶级级函数，若迭代代越出边边界，函函数值自自动取一一大值形形成壁垒垒；原响应面29含约束响应面边界壁垒修改约束边界响应面修改边界壁垒3.1响应面算算法3、高层结结构抗震震优化设设计软件件GSOPT应用多峰值问问题多峰值曲曲面，由由于局部部极值点点不一定定是全局局最优点点，存在在不同起起始点收收敛到不不同点的的问题；；每次求得得局部最最优点的的时候，，以该值值为一个个阀值，，对响应应面进行行修剪，，建立新新的约束束条件，，然后再再重新找找起始点点进行运运算；30二次响应应面：整理可得得简化abc求解3.1响应面算算法3、高层结结构抗震震优化设设计软件件GSOPT应用起始点不不在可行行域问题题修改罚函函数，离离边界越越远，罚罚函数值越大；既保留了了起始点点在可行行域内的的运动特特征，也也能让起起始点落落在不可可行域时时使其滑滑回到可可行域内内；31以离约束函数数的距离为标准，绝绝对值越越大，说说明偏离离越大，，罚函数数的值就就越大，，从而人人工制造造一个负负梯度，使迭代代点滑回到可可行域。。3.1响应面算算法3、高层结结构抗震震优化设设计软件件GSOPT应用优化软件件主要模模块建模：结构布置置建模、、根据优优化目标标构件分分组；计算分析析和设计计：结构静力力和动力力分析、、根据规规范进行行构件设设计；优化计算算：构件优化化、变量量敏感度度分析、、结构整整体刚度度优化等等。3.2GSOPT主要功能能32结构优化软件优化计算计算分析和设计建模计算结果调用计算优化数据模型数据优化结果3、高层结结构抗震震优化设设计软件件GSOPT应用建模及分分组功能能进行结构构墙、柱柱、梁、、板布置置及调整整。33软件主界面3.2GSOPT主要功能3、高层结构抗抗震优化设计计软件GSOPT应用建模及分组功能关键字和逻辑辑查询功能设设置分组；图形显示中鼠鼠标点选和框框选设置分组组。34关键字查询查询结果逻辑关键字分组解决三大大问题：提高高计算效率、、符合建筑功功能要求、方方便土建施工工。3.2GSOPT主要功能3、高层结构抗抗震优化设计计软件GSOPT应用计算分析和设设计结构计算：整整体静力计算算、抗震分析析、内力放大大及调整等；；构件设计：：根据规范范要求混凝凝土构件截截面验算、、配筋等。。353.2GSOPT主要功能3、高层结构构抗震优化化设计软件件GSOPT应用构件优化设设计优化目标：：每组构件件造价（质质量）最低低；约束条件：：规范构件件强度、构构造要求、、截面限制制范围等；；目标构件：：梁、柱、、墙、斜撑撑等；优化方法：：多级优化化、网格搜搜索法；363.2GSOPT主要功能3、高层结构构抗震优化化设计软件件GSOPT应用结构整体刚刚度优化变量设置设置各构件件截面尺寸寸的变化范范围及增量量大小；优化算法响应面算法法的一次或或二次拟合合；约束条件位移角、位位移比、刚刚度比、承承载力比、、周期比、、剪重比、、框架剪力力分配比例例等；目标函数位移角、位位移比、刚刚度比、承承载力比、、周期比、、剪重比、、框架剪力力分配比例例、结构重重量、用钢钢量、造价价等；37变量设置优化算法约束条件目标函数3.2GSOPT主要功能3、高层结构构抗震优化化设计软件件GSOPT应用总高91.5m，共24层；主要层层高5.5m、3.6m；外包尺寸：：48X19.2m；核