特大地震作用下超限高层结构破坏特点

特大地震下超限高层结构破坏特点分析报告人：焦柯Content1、特大地震下框筒结构破坏特点分析2、受拉剪力墙抗震性能分析3、高层结构抗震优化设计软件GSOPT应用1、特大地震下框筒结构破坏特点分析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筑物设防要求。针对7度区7栋按中国规范性能C设计的超高层框筒结构，通过加载特大地震（400cm/s2），分析这7栋超高层结构的破坏特点。1、特大地震下框筒结构破坏特点分析7栋超高层结构模型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、特大地震下框筒结构破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发现破坏特点：（1）梁损坏严重，框架柱损坏较轻；（2）部分剪力墙损坏严重；（3）剪切破坏是结构整体失效的主因；1、特大地震下框筒结构破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、特大地震下框筒结构破坏特点分析特大地震：剪切破坏主要出现在核心筒刚度突变处、加强层、底部剪力墙。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弯屈服华强1栋加强层剪力墙剪切破坏剪力墙拉弯屈服1、特大地震下框筒结构破坏特点分析特大地震：结构竖向无明显刚度突变，只有个别墙肢剪切破坏！城际中心剪力墙剪切破坏范围较小少量剪力墙拉弯屈服部分墙肢轻度损伤，未发生严重受压损伤华强3栋1.1特大地震下结构整体破坏时若干指标分析基底剪力和位移角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地块和绿地中心：取消上部剪力墙竖向刚度突变，层间位移角较小，但出现剪力墙剪切破坏；2）华强1栋：加强层造成刚度突变，层间位移角较小，出现剪力墙剪切破坏。3）港航中心、城际中心和华强3栋：破坏时刻的层间位移角较大，虽然华强3栋存在框支结构，但框支剪力墙为斜墙，避免了刚度突变现象。1.1特大地震下结构整体破坏时若干指标分析位移比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：小震计算位移比较大，则特大震下结构破坏时的位移比也较大；位于外框的剪力墙破坏，对结构的抗扭刚度削弱更大，位移比也更大。007地块项目左右两边柱位移22s时刻由于结构破坏比较严重，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坏时若干指标分析框架柱分配剪力11总结：特大地震下框架柱二道防线起一定的作用，由于框架梁过早屈服出铰，框架柱作用有限；即使框架柱分配剪力较大，框架柱最大剪压比没有超过0.15。最大值0.0981.1特大地震下结构整体破坏时若干指标分析结构耗能分析007地块构件塑性耗能城际中心构件塑性耗能剪力墙耗能明显增大总结：应避免剪力墙塑性耗能突然增加，提高墙肢延性。25s右侧墙剪切破坏21s左侧墙剪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承载力分析厚度700mm，长度7150mm，混凝土等级为C60，抗压强度标准值38.5N/mm2，抗拉强度标准值2.85N/mm2，水平和竖向分布钢筋配筋率0.6%，暗柱配筋为400*10mm方钢管；混凝土模型

型钢模型

钢筋模型总结：在无轴向力或在轴心受拉作用下，剪力墙抗剪承载力显著下降！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剪承载力分析0.2fcA轴压力下剪力墙受拉损伤剪力墙钢筋应力在无轴力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缝。分布钢筋及端部边缘构件的钢筋均屈服。加载到20250kN剪力墙突然发生剪切破坏，分布钢筋及端部边缘构件的钢筋均屈服剪力墙钢筋应力在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，端部边缘构件的钢筋未屈服。1.2剪压比控制问题剪力墙抗剪承载力分析取整体模型剪力墙的最不利轴力弯矩组合进行正截面承载力验算，都满足要求；墙在最小轴压力554kN时，弯矩值1534kN.m，剪力9865kN（剪压比约0.06），接近剪切破坏。墙正截面承载力验算总结：钢筋混凝土墙肢的轴向压力较小或处于受拉状态时，按规范性能水准4的剪压比限值0.15控制受剪是不够的。

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

根据7度区12栋超高层结构的统计，在双向中震作用下底部剪力墙拉应力一般在1.0~2.5ftk之间，当核心筒偏置时，会出现更大拉应力比。2、受拉剪力墙抗震性能分析在中震作用下底部剪力墙拉应力不大于2*ftk时，目前常规的处理办法是在剪力墙内埋置型钢或钢板来承受中震产生的拉力。当底部剪力墙拉应力大于2*ftk时，加型钢能否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（正值为拉，负为压）中震不屈服计算的拉力放大软件计算的中震不屈服设计最大拉力，包括了因为结构不满足规范对剪重比、刚度比、承载力比等的要求所进行的楼层地震力放大，譬如琶洲项目W1墙肢不满足剪重比要求，放大1.127，按放大后的组合内力计算墙肢拉应力比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墙时，不宜调整楼层地震力，否则偏心受压墙可能判断为偏心受拉墙，或增大拉应力比。2、受拉剪力墙抗震性能分析琶洲AH041006地块采用框架-核心筒体系，高160m，1-4层型钢混凝土柱，5层及以上钢筋混凝土柱，剪力墙厚度底部800mm收至顶部500mm，剪力墙和柱混凝土强度C60，型钢强度Q345，标准层平面核心筒偏置。大震采用PERFORM-3D软件计算。三维计算模型首层平面示意图中震计算墙肢拉应力比超过3.0，分析墙内加型钢对抗拉性能影响。2、受拉剪力墙抗震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向的转角剪力墙出现剪切破坏底层剪力墙发生屈服底部楼层剪力墙混凝土发生轻微受压损伤本工程性能目标定为C，由于在大震作用下底部加强区剪力墙出现拉弯屈服和剪切破坏，结构不能满足性能C抗震性能要求。2、受拉剪力墙抗震莲性能分析中震168恩71k睛N大震12蚊60支0中震304膛5kN中震822袖8kN载.m大震117些7大震-1锐35铜0墙W4中震与大震测下拉力最拦大时刻佛内力比较：（1）大震投下剪她力墙亮最大惨拉力小于杏中震反摘应谱法计算检拉力哲；（2）底邻部轴拉力最大蜡时刻，弯矩较小如，剪额力并覆不小。总结搅：偏到心受势拉剪爪力墙边抗弯供、抗把剪能顶力大底大削南弱，拴加型攻钢不并单解嚼决抗晶拉，范还要稿解决睡抗剪结问题凶。轴力剪力弯矩2、受拉剪力阳墙抗震性婶能分析

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最大基债底剪力玩和层间讽位移角313片37782对916巧09驻5244辱51模型1模型2模型3626给74156拌58321规90489圈02三种计顶算模型比较：1~3层加型繁钢1倍型钢：按照胡中震墙黑肢轴拉言力计算伴的型钢街面积。2、受拉剪力僻墙抗震弦性能分析AZ奏1暗柱钢聪筋应变州时程曲炼线无型最钢最循大拉右应变0.文00疫351倍型钢触最大拉犯应变0.短00蠢252倍型钢位最大拉吓应变0.雷00惜15最大脆压应亦变变凭化不柄大三种跪计算模型比较：无将型茅钢：暗柱区钢筋的拉应训变超过屈服应丸变，受打拉屈浇服；1倍型钢局：暗柱区钢积筋屈作服但仍处于IO状态，拉应清变减小30%；2倍型钢：暗柱区钢筋处于弹尊性状态茎，没有携出现屈服，拉应变减小50%。2、受拉剪力墙抗震诵性能分析1倍型钢剪么力墙未出粪现屈服1倍型钢个别暗柱狭出现屈服三种计炭算模型比较：1倍型钢：结构底部剪名力墙未荣出现剪钥切破坏稿，也未燃出现拉故弯屈服伶，个别暗柱钢筋受蒸拉屈服走，处于IO状态，沃仍不满疮足性能C要求。2倍型杨钢：结构恼底部屈剪力碰墙未窝出现疑剪切侨破坏忌，也形未出傅现拉炊弯屈提服，令暗柱钢筋未出现普屈服，满持足性能C要求。2倍型钢冒剪力墙未出现屈服2倍型钢暗柱没有出现屈服2、受拉剪力墙抗震性挣能分析混凝刻土模桃型型钢模辣型钢筋蓝整体旁模型

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：配置型钢痛越多，大震下剪力墙最大拉力越大。首层W4墙肢采用ABA练QUS精细洞有限扶元计算。首层层嘉高6m，剪力开墙厚700冷mm，长30贯00煤mm，水平状和竖向世分布钢杯筋配筋绑率0.比6%，暗拦柱钢暖筋面挠积70撕56援m杆m2，单根尖型钢面聚积24为45横1m葡m2。2、受拉剪力墙抗震性定能分析模型1钢筋Mis央es应力模型2钢筋和底型钢Mi誓se殖s应力模型3钢筋和枪型钢Mis略es应力无型掩钢：加载夹后，派纵向受拉钢狮筋屈服冬并进入牵强化阶劣段，墙体受拉破缴坏。1倍型钢恋：加载后丹，暗柱区聚钢筋记受拉堵屈服予，但篇仍继拾续承控受剪嗽力和荣弯矩。2倍型钢学：加载把后，除加捐载区域叮附近外，钢断筋和型住钢未跨出现侮屈服。总结：当中震拉应力烛比超过2时，伞应适姜当增男加型娃钢用雾量。雨当拉应力比接屯近3时，型学钢用量加鞠倍可满劳足抗激震性沈能要高求。高层泼混凝描土结构优化计那算难点筋：计算暴规模事大，经结构角体系妖复杂场；约束葡条件积多，束满足招规范各的控店制条粱件；不是单劲纯数学纳问题，船涉及抗岛震设计趋概念、坊构造要挤求；变量朵不连携续，纵按模尤数变惕化；开发GS菊OP注T软件基于魄优化排理论缺和结沟构设岗计概紫念，奖通过严优化泉设计雪软件宣实现台自动板进行码结构旋调整股，代功替经翁验性史的人休工调颂整、咱验证粮性设堂计。相比国抚外通用拣优化软件枝如Hyp练erS柳tud联y，针对柱性强，物效率更课高，适嘴合结构赛设计专卸业应用培。适用各类优抱化目标结构闷造价评、用符钢量著、刚牙度、俭位移蠢角、酒剪重闻比等肯；3、高层牺结构抗贴震优化迅设计软甚件GS买OP肚T应用27响应棒面算薪法基退本原禁理数据实串验中心脊复合夕实验全因筒子实绍验数据拟衫合选用葛一次简或二烤次拟护合；高阶响差应面拟珠合：抽妖样数量蚊将显著济增加，么容易产久生震荡墓。二次规满划通过迭续代计算芒得到目呆标值最暖小（大病）值点帖；内点法——在可钻行域作边界秩上设罢置一谷道屏岂障，碰当迭仇代过潮程靠蚂近可顷行域御的边来界时猜，目叶标函登数数佩值迅察速增析大；混合法——在非可头行域人泡工制造拖梯度，突解决初何始点在混可行域欧外的问行题。3.孤1响应脱面算名法28

3、高港层结察构抗叼震优万化设站计软谢件GSO娱PT应用约束壁稠垒厚度川问题内点法泊制造约粗束壁垒漂；若迭代纷步长过态大，可勒能会跨侮过约束售，造成哲无法收柄敛或在廉不可行物域内迭鲁代等问躲题；运用伏阶级惑函数，若迭樱代越出属边界，捏函数值慌自动取晕一大值毒形成壁云垒；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响应础面算甜法3、高层俊结构抗水震优化轮设计软约件GSO拍PT应用多峰值惕问题多峰茄值曲睬面，美由于智局部六极值耗点不笛一定良是全供局最荒优点拾，存裕在不疗同起精始点纯收敛侧到不每同点位的问绍题；每次求姨得局部目最优点削的时候萍，以该嗓值为一储个阀值帮，对响象应面进凑行修剪盖，建立泰新的约拉束条件摄，然后颤再重新葡找起始贵点进行偷运算；30二次创响应富面：整理可宣得简化abc求解3.1响应面构算法3、高层仗结构抗喘震优化俭设计软胃件GS铸OP狮T应用起始点余不在可贩行域问画题修改罚首函数，浙离边界项越远，柜罚函数值越大变；既保留赔了起始驰点在可酷行域内旺的运动拥特征，购也能让摔起始点熔落在不摸可行域捧时使其送滑回到锐可行域阳内；31以离约束函蝴数的距离妄为标准，百绝对值恋越大，漏说明偏骡离越大曾，罚函蹄数的值荡就越大骆，从而观人工制际造一个芝负梯度，使添迭代芝点滑回算到可看行域直。3.1响应面帽算法3、高亦层结绳构抗厘震优扁化设艳计软伴件GSO赴PT应用优化软回件主要絮模块建模伴：结构挥布置统建模塌、根亭据优岭化目围标构盗件分否组；计算分仁析和设舅计：结构静呈力和动根力分析蹲、根据鲁规范进挥行构件允设计；优化皇计算勾：构件驻优化谅、变只量敏敞感度粥分析剑、结永构整是体刚桌度优槽化等恐。3.腿2欠G期SO值PT主要功溉能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、高层定结构抗唱震优化挨设计软叹件GSO友PT应用建模及胞分组功丢能进行瓦结构俗墙、舒柱、贯梁、支板布讽置及术调整绳。33软件主猴界面3.2请G膀SOP签T主要这功能3、高层制结构抗宅震优化把设计软痕件GS心OP革T应用建模及分组坏功能关键字括和逻辑雅查询功影能设置季分组；图形客显示肌中鼠液标点颤选和沸框选吨设置摩分组栗。34关键字查询查询结果逻辑关键字分组解贩决三大目问题：搁提高计敲算效率切、符合神建筑功糟能要求朝、方便透土建施味工。3.2森G种SOP掏T主要功桐能3、高猫层结号构抗成震优淋化设扬计软研件GSO望PT应用计算分扒析和设饱计结构注计算该：整跟体静艺力计数算、赴抗震兰分析胶、内透力放缓大及购调整梨等；构件苏设计扇：根吴据规劣范要葡求混浅凝土击构件顽截面感验算茶、配宪筋等帅。353.2厕G录SOP蚀T主要拴功能3、高层拍结构抗绸震优化夺设计软鼻件GSO齐PT应用构件优裹化设计优化虑目标离：每义组构尤件造肠价（色质量垂）最艰低；约束酿条件票：规代范构坟件强吐度、唐构造漏要求尸、截扰面限哈制范驰围等吴；目标脖构件齿：梁贵、柱况、墙抚、斜皂撑等粥；优化称方法并：多拌级优送化、由网格惧搜索齿法；363.2岩G册SOP献T主要功泊能3、高哀层结亲构抗叙震优芽化设哭计软侧件GS掀OP再T应用结构确整体淹刚度丧优化变量设宅置设置饿各构李件截直面尺箱寸的瓦变化击范围隔及增路量大煮小；优化算竟法响应面够算法的送一次或墓二次拟婚合；约束利条件位移递角、积位移页比、马刚度乒比、军承载辽力比宾、周撑期比孤、剪直重比惹、框农架剪认力分贸配比疯例等锈；目标函察数位移角狐、位移查比、刚修度比、挺承载力传比、周绍期比、扛剪重比响、框架舟剪力分防配比例刚、结构党重量、恳用钢量竭、造价渗等；37变量光设置优化败算法约束店条件目标规函数3.希2兔G吐SO睛PT主要刘功能3、高层畜结构抗暂震优化统设计软旅件GS嘱OP亩T应用总高91.汁5m，共24层；主愿要层高5.腿5m、3.6翅m；外包尺瞎寸：48X全19.罩2m；核心育筒尺样寸：28蜘X6械.4歪m；优化丝式变量望：各辫层X、Y向墙肢闸厚度；优化今目标药：层辟间位兽移角晌最大统。38F5WT600-800