基于perflm-3d的某矿主井井塔抗震性能分析

基于perflm-3d的某矿主井井塔抗震性能分析

高层建筑抗震性能分析现代高层建筑从复杂的形状和功能来看，尤其是商业建筑和工业建筑。建筑功能通常要求上部为小柱网和多墙的中小型开放空间，下部为大柱网和小墙的最大开放空间。为了实现这一结构的配置，必须在其层之间建立变换层。目前，我国对具有转换层结构的高层建筑抗震性能做了较多的分析研究。如在有限元建模方面，南京工业大学的祖萍萍作为矿山建筑中必不可少的，同时也是地面工业广场标志性的高层建筑——井塔现阶段，矿山立井常采用冻结法进行施工，当传统内柱式井塔的部分框架柱位于井筒冻结圈内时，桩基施工难度大周期长，因此会考虑把首层的框架柱“抽掉”，使其成为带转换层结构的井塔本文结合工程实例，采用桁架托柱转换方案，综合运用PKPM/SATWE（用于结构截面设计及配筋）、SAP2000（验证PKPM静动力计算模型且便于导入PERFORM-3D）与PERFORM-3D（专长于弹塑性分析但独立建模较为复杂）软件，通过建立抽柱前后井塔结构的弹塑性分析模型，对整体结构及关键构件进行抗震性能对比分析，根据承载力及变形特征给出抗震性能优化方案。1桁架转换框架柱的设计某矿主井井塔采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，长28.0m，宽24.0m，总高为96.5m。为满足矿井快速建设的需要，将常规设计方案的首层两根框架柱抽掉，采用桁架转换，框架柱截面尺寸1200mm×1500mm，桁架截面尺寸为900mm×1000mm，钢筋及箍筋材料均为HRB400，混凝土强度等级为C40。建筑结构安全等级为一级，建筑抗震设防类别为乙类2地震波的选择地震波数量的选取一般要求样本容量的取值在数十条以上3井塔抽柱前和抽柱后3阶振型分别运行PERFORM-3D、PKPM/SATWE与SAP2000软件计算得到井塔的前3阶自振周期，结果见表2。运行PERFORM-3D得出井塔抽柱前和抽柱后的前3阶的振型如图3所示。可以得出，PERFORM-3D、PKPM/SATWE与SAP2000这三种软件算出的结构前三阶自振周期及振型非常接近，井塔的整体动力特性在抽柱前后变化不大，结构自振周期最大增幅不到3%，即抽除的框架柱刚度在结构总刚度中占比不大。4抽柱前后井塔结构不同层间剪力的变化对井塔进行PUSH-OVER推覆分析时，目标位移按罕遇地震作用时整体结构1％通过图4可以看出，抽柱前后井塔结构的第9层和第10层楼层剪力几乎无变化，是由于这两层没有框架柱，刚度未发生变化。其余各层均含有框架柱，抽柱会导致结构的刚度减小，因此在X和Y方向，结构的屈服剪力均有不同程度的下降。5应及破坏机制动力弹塑性时程分析主要研究结构在罕遇地震作用下结构的整体和关键部位的响应及破坏机制，主要包括层间位移角、基底剪力、顶点位移、结构塑性状态过程及转换桁架、框架柱、框架梁、连梁、剪力墙的内力变化和破坏状况。弹塑性计算时采用的钢材（HRB400）及混凝土（C40）的本构关系如图5所示。5.1抽柱前后的最大层间位移角在ElCentro，Northridge，ArtificialWave三条地震波作用下井塔结构抽柱前后的最大层间位移角如图6所示。通过对图6分析可以得出，在罕遇地震作用时，抽柱前后井塔结构在X为主方向和Y为主方向的层间位移角都比较小，均值不超过3‰。其最大值仅为4.4‰，明显小于规范要求的1％，说明结构在抽柱后刚度依然很大，完全满足层间位移角的规范要求。5.2井塔抗侧移刚度通过PERFORM-3D时程分析、推覆分析和SAP2000反应谱分析计算得到井塔结构在罕遇地震作用下基底剪力值如表3所示。通过对表3分析对比后可发现井塔抽柱后的基底剪力几乎都小于抽柱前的基底剪力，说明由于抽柱导致结构刚度减小，所以X和Y方向的屈服剪力均有所下降，此结论与静力弹塑性结果分析的结论一致。X向基底剪力降幅为2％，Y向基底剪力降幅为7.3％，可以得出井塔抽柱后对Y向刚度的影响大于对X向刚度的影响。井塔在抽柱前，X向的基底屈服剪力值为24844kN，大于在罕遇地震下的平均基底剪力值16296kN；Y向的基底屈服剪力值为23174kN，大于在罕遇地震下的平均基底剪力值18708kN，可以得出井塔在抽柱前的抗侧移刚度满足要求。井塔在抽柱后，X向的基底屈服剪力值为22960kN，大于在罕遇地震下的平均基底剪力值15963kN；Y向的基底屈服剪力值为20449kN，大于在罕遇地震下的平均基底剪力值17333kN，可以得出井塔在抽柱后的抗侧移刚度也满足要求。5.3结构整体刚度本文取结构顶点坐标为(24,0,96.5)，在罕遇地震作用下顶点的位移时程曲线如图7所示。通过对图7分析可得出，井塔结构在罕遇地震作用下，抽柱前的顶点位移略小于抽柱后的顶点位移。顶点位移最大值为ElCentro波作用下，以X为主方向输入时Y向的顶点位移：抽柱前的顶点位移最大值为0.240m，抽柱后为0.249m，仅增大了0.009m，增幅为3.75％，说明抽柱后井塔结构整体刚度变化不大。Northridge波和ArtificialWave波产生的顶点位移更小，均不到0.20m也说明了井塔结构整体刚度变化不大。5.4井塔进入塑性状态在罕遇地震下，地震波加速度为220cm/s井塔在抽柱前后，都是单个连梁先进入受弯基本运行状态，然后越来越多的连梁进入受弯基本运行状态，部分连梁逐渐进入生命安全、接近倒塌状态。在此过程中，部分框架梁逐渐进入基本运行、生命安全状态，剪力墙、框架柱和转换桁架始终处于充分运行状态。所有构件均没有发生受剪、受拉屈服。抽柱前井塔进入塑性区的时间比抽柱后晚了1.0s左右，结束时进入塑性状态的连梁数也少于抽柱后，但进入塑性状态的框架梁的数量基本一致。由于井塔抽柱后底层有桁架转换结构传送过来的荷载，因此井塔的右立面进入塑性状态的特征最为明显。图8为ElCentro波Y向主输入时井塔右立面进入塑性状态图。5.5抽柱前后抗剪性能的变化(1)转换桁架在ElCentro，Northridge，ArtificialWave三种地震波作用时对钢筋混凝土转换桁架进行弯矩、剪力、轴力进行计算，发现桁架都未进入基本运行状态，可以认为井塔抽柱转换桁架的设计是安全的。表4列出了在井塔抽柱转换桁架后，B/②-③下弦杆位置的受弯、受剪和抗拉承载力计算结果。由表4可以看出，由于桁架的下弦杆是受拉构件，在罕遇地震作用时可以有更多的安全储备，抗剪、抗弯、抗拉的需求能力比较低，最大的也仅需0.548。因此转换桁架在罕遇地震时有较好的抗震性能。(2)框架柱在罕遇地震作用时，钢筋混凝土框架柱的弯曲和剪切变形并未进入基本运行状态，而是始终处于弹性工作阶段。表5列出了在罕遇地震作用下不同构件的截面抗剪承载力利用率。抽柱后井塔底层框架柱C/②内力产生较大变化，具体见表6。从表5可以看出，抽柱后框架柱截面抗剪承载力利用率均值比抽柱前增大了35.3％，原因是抽柱后部分剪力被框架柱所分担。增大后的框架柱截面抗剪承载力最大利用率仅为71.1％，低于警戒值1，满足需求，不会产生剪切脆性破坏。从表6可以看出，抽柱后作用在C/②上的内力产生了较大变化，平均弯矩的增幅为18.7%，平均剪力的增幅为23.0%、平均轴力的增幅为28.7%，然而抽柱后的杆件的需求能力比依然较小，弯矩的需求能力比只有0.285、剪力的需求能力比只有0.152、轴力的需求能力比只有0.232，表明抽柱后井塔结构仍有较大的安全储备。(3)框架梁、连梁罕遇地震作用下抽柱前后的井塔结构均是连梁先进入基本运行、生命安全状态，然后部分连梁进入接近倒塌状态，最后是部分框架梁进入生命安全状态，但作为安放提升机等重要设备层的大梁始终没有进入塑性状态，能够达到设计预期目的。井塔结构整体框架梁、连梁的抗剪承载力截面利用率见表5。抽柱后的框架梁、连梁截面抗剪承载力利用率均值比抽柱前增大了0.2％，是因为抽柱后的框架梁、连梁分担了部分剪力，由于分担的剪力较小，导致利用率变化极小。增大后的框架梁、连梁截面抗剪承载力最大利用率仅为76.0％，低于警戒值1，满足需求，因此不会产生剪切的脆性破坏。(4)剪力墙罕遇地震作用时，抽柱前和抽柱后井塔剪力墙的抗弯、抗剪性能良好，均处于充分运行状态，结构剪力墙的抗剪承载力截面利用率见表5。抽柱后剪力墙的抗剪承载力截面利用率比抽柱前增大了20.4%，是因为抽柱后的剪力墙分担了部分剪力。抽柱后剪力墙抗剪承载力截面利用率均值仅为0.495，利用率偏低，可以减小剪力墙的厚度来提高利用率。增大后剪力墙的截面抗剪承载力最大利用率仅为56.0％,低于警戒值1，满足需求，因此不会产生剪切型的脆性破坏。井塔抽柱后的右立面底层剪力墙内力产生了很大的变化，选取B/④轴剪力墙进行抽柱前后的内力及扶壁柱纤维变形对比分析，见表7和表8。从表7可以看出，在罕遇地震时，作用在剪力墙上的内力在抽柱后产生了较大的变化，弯矩平均增幅增加了10.0%，轴力平均增幅增加了43.8%。从表8可以看出，在罕遇地震时，作用在剪力墙扶壁柱的纤维应变在抽柱后也产生了变化，最大拉应变平均值降低14.6%，最大压应变平均值增加7.9%。但最大拉应变为0.002小于钢筋的极限拉应变ε表9为B/④底层剪力墙最大弯曲变形图，可以看出，B/④底层剪力墙弯曲变形均在正常运行限值内，抽柱前和抽柱后的井塔弯曲转角分别为0.00156和0.00171，增大了9.1％，两者均能满足结构的安全需求。抽柱后弯曲变形最大需求能力比也只有0.428，在安全范围内。6结构刚度及抗剪性能(1)在罕遇地震作用下，抽柱后结构的动力特性变化不大，最大层间位移角为4.4‰，小于规范规定值1％。(2)抽柱后X向和Y向的基底剪力较抽柱前均有所减小，但抽柱对Y向刚度的影响大于对X向刚度的影响，结构刚度满足要求。(3)抽柱后的顶点位移略大于抽柱前的顶点位移，证明抽柱后结构的整体刚度略有