特大地震作用下超限高层结构破坏特点分析-20141117

特大地震下超限高层结构破坏特点分析/报告人：焦柯2014.11.22Content1、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007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。31、特大地震下框筒结构破坏特点分析7栋超高层结构模型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183.3m41、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

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。91.1特大地震下结构整体破坏时若干指标分析位移比

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101.1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0.098111.1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中震与大震下拉力最大时刻内力比较：（1）大震下剪力墙最大拉力小于中震反应谱法计算拉力；（2）底部轴拉力最大时刻，弯矩较小，剪力并不小。总结：偏心受拉剪力墙抗弯、抗剪能力大大削弱，加型钢不单解决抗拉，还要解决抗剪问题。轴力剪力弯矩2、受拉剪力墙抗震性能分析

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最大基底剪力和层间位移角3133778291609524451模型1模型2模型362674156583219048902三种计算模型比较：1~3层加型钢1倍型钢：按照中震墙肢轴拉力计算的型钢面积。2、受拉剪力墙抗震性能分析AZ1暗柱钢筋应变时程曲线无型钢最大拉应变0.00351倍型钢最大拉应变0.00252倍型钢最大拉应变0.0015最大压应变变化不大三种计算模型比较：无型钢：暗柱区钢筋的拉应变超过屈服应变，受拉屈服；1倍型钢：暗柱区钢筋屈服但仍处于IO状态，拉应变减小30%；2倍型钢：暗柱区钢筋处于弹性状态，没有出现屈服，拉应变

减小50%。2、受拉剪力墙抗震性能分析1倍型钢剪力墙未出现屈服1倍型钢个别暗柱出现屈服三种计算模型比较：1倍型钢：结构底部剪力墙未出现剪切破坏，也未出现拉弯屈服，个别暗

柱钢筋受拉屈服，处于IO状态，仍不满足性能C要求。2倍型钢：结构底部剪力墙未出现剪切破坏，也未出现拉弯屈服，暗柱钢

筋未出现屈服，满足性能C要求。2倍型钢剪力墙未出现屈服2倍型钢暗柱没有出现屈服2、受拉剪力墙抗震性能分析混凝土模型

型钢模型

钢筋整体模型

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：配置型钢越多，大震下剪力墙最大拉力越大。首层W4墙肢采用ABAQUS精细有限元计算。首层层高6m，剪力墙厚700mm，长3000mm，水平和竖向分布钢筋配筋率0.6%，暗柱钢筋面积7056mm2，单根型钢面积24451mm2。2、受拉剪力墙抗震性能分析模型1钢筋Mises应力模型2钢筋和型钢Mises应力模型3钢筋和型钢Mises应力无型钢：加载后，纵向受拉钢筋屈服并进入强化阶段，墙体受拉破坏。1倍型钢：加载后，暗柱区钢筋受拉屈服，但仍继续承受剪力和弯矩。2倍型钢：加载后，除加载区域附近外，钢筋和型钢未出现屈服。总结：当中震拉应力比超过2时，应适当增加型钢用量。当拉应力比接近3时，型钢用量加倍可满足抗震性能要求。高层混凝土结构优化计算难点：计算规模大，结构体系复杂；约束条件多，满足规范的控制条件；不是单纯数学问题，涉及抗震设计概念、构造要求；变量不连续，按模数变化；开发GSOPT软件

基于优化理论和结构设计概念，通过优化设计软件实现自动进行结构调整，代替经验性的人工调整、验证性设计。

相比国外通用优化软件如HyperStudy，针对性强，效率更高，适合结构设计专业应用。适用各类优化目标

结构造价、用钢量、刚度、位移角、剪重比等；3、高层结构抗震优化设计软件GSOPT应用27

响应面算法基本原理数据实验中心复合实验全因子实验数据拟合选用一次或二次拟合；高阶响应面拟合：抽样数量将显著增加，容易产生震荡。二次规划通过迭代计算得到目标值最小（大）值点；内点法——在可行域边界上设置一道屏障，当迭代过程靠近可行域的边界