角筒式巨型框架结构静力弹塑性分析

角筒式巨型框架结构静力弹塑性分析

大型框架的结构是一种新兴的大型结构，由两层组成，因此也被称为主体和次要框架结构。其独特的双重结构体系，不仅促进了结构的完整性，提高了结构的安全性，减少了材料的使用和成本，而且为建筑设计带来了很大的灵活性。因此，它在多层建筑的监督和管理中得到了广泛应用。静力弹塑性分析(staticpush-overanalysis)方法是近年来发展起来的一种基于功能的新型抗震设计方法,可以获得结构在各级荷载作用下的内力、位移及裂缝开展、塑性铰分布等大量数据,并可对结构的破坏机理和整体性能作出评估,是一种花费较少而又有较高精度的研究手段,其主要实施步骤为:①建立杆系有限元分析模型,确定各杆件中可能出现的塑性铰类型与位置,计算各塑性铰的恢复力特性;②计算结构在竖向荷载作用下的内力,以与其后计算得到的水平荷载作用下的内力相叠加,并计算结构的动力特性(周期、振型等);③按一定的比例关系(沿结构高度的分布规律)施加一定量的水平荷载,然后分级加载,求得各杆件在各级荷载作用下的内力和变形;④根据计算值,可得到结构中塑性铰出现的位置与时间,判断结构的最终破坏形态,并绘制出结构基底剪力和顶点位移的关系曲线、各楼层剪力和层间位移的关系曲线及地震影响系数曲线(反应谱穿越曲线).1场地试验设计与测量方案为更好地研究钢筋混凝土巨型框架结构的抗震性能,东南大学与南京建筑设计研究院合作,以南京电信局多媒体综合大楼(简称综合大楼)为原型,在同济大学振动台试验室进行了1/25缩尺比例的微粒混凝土模型振动台试验.综合大楼主楼采用钢筋混凝土巨型框架结构体系,地下2层,地面以上33层,高约150m.二类场地土,七度设防,抗震措施提高一度按八度考虑.试验采用人工质量模型,忽略重力加速度,模型中楼板、梁、柱和筒体中的配筋按照与原型构件在等强度下配筋的原则配置.试验共采用30只加速度传感器,2只位移传感器和8片混凝土应变片;结合综合大楼所在场地的性质,选用了3条地震波:El-Centro1940强震记录、Taft波和按规范反应谱拟合得到的人工地震波,试验时按单向和三向输入地震波,共进行了包括白噪声在内的48个工况的振动试验.2大型框架结构的静力弹塑度分析2.1钢骨混凝土力学性能以综合大楼的振动台试验模型的反推原型为基础,采用考虑节点刚域和杆件剪切变形的杆系简化模型(简称模型A),计算软件选用SAP2000,进行静力弹塑性分析,分析中主要考虑以下几点:1)对次框架梁,设置弯曲塑性铰,对次框架柱和主框架柱,设置压(拉)弯塑性铰,对桁架式主框架梁,除在杆件两端预设压(拉)弯塑性铰外,尚在杆件中部预设轴力塑性铰.2)混凝土本构关系应采用文献所推荐的单轴受力下的二段式应力-应变关系表达式,钢筋(钢骨)本构关系采用完全弹塑性模型.3)为简化计算,杆件的力-位移(应力-应变)曲线以四折线形式表示,计算钢骨混凝土N-δ曲线和V-f曲线时采用简单叠加法,在确定钢骨混凝土构件中纯弯塑性铰和压(拉)弯塑性铰的本构关系时,则采用条带法.4)取顶层水平位移为目标位移,大小为0.04×144=5.76m.5)选取5种水平加载方式如下:模式APi=wi∑m=1nwmVbΡi=wi∑m=1nwmVb模式BPi=wihi∑m=1nwmhmVbBΡi=wihi∑m=1nwmhmVb模式CPi=wihki∑m=1nwmhkmVbCΡi=wihik∑m=1nwmhmkVb模式DPi=wiφi∑m=1nwmφmVbDΡi=wiφi∑m=1nwmφmVb式中,n为结构总层数;hi,hm为结构第i,m层楼面距地面的高度;wi,wm为结构第i,m层楼层重力荷载代表值;k为计算指数;Vb为基底总剪力;φi,φm为结构第i,m层第一振型值,而模式E根据震前周期和振型由振型分解反应谱平方和开平方(SRSS)法计算水平加载方式.6)考虑二阶矩影响,即考虑P-Δ效应.7)采用对次框架柱施加温度影响的方法来模拟施工.8)为突出反应巨型框架结构的特点,将与采用普通框剪结构的模型(以下简称模型B)进行对比.对应的普通框剪结构(模型B)的建立方法如下:在主框架梁下层添加次框架柱,取消充当主框架梁的桁架的腹杆,并将弦杆按次框架梁尺寸取用,将X向2～5层梁按普通次框架梁尺寸取用,并补设次框架柱,则将巨型框架变化为与之对应的框架-剪力墙结构.2.2静力分析2.2.1不同模式下弹性阶段结构的位移对比定义结构第i层侧移与结构顶点侧移之比为φi,则φ为结构变形的形状向量,定义结构第i层的层间位移角与结构总体位移角之比为ηi,则η为结构层间位移角的形状向量.图1和图2分别为各种水平加载模式下,模型A结构弹性阶段Y向φ值和η值随楼层变化曲线.图3为结构破坏阶段,各种水平加载模式下,模型A中η值随楼层的变化曲线,图4为整个静力弹塑性分析中,模型A结构底部剪力-顶点位移曲线.由图4可见,在弹性阶段,各种水平加载模式下结构在主框架梁层均有明显的位移减小现象,而在主框架梁的上下层均有层间位移角的放大,由表1可以看出,除模式A外,另4种水平加载模式下结构顶点水平位移是相近的;在结构破坏阶段,由于桁架式主框架梁的屈服、破坏,使其对主框架柱的约束大大降低,结构在主框架梁层的位移突变现象得到减缓,主框架梁上层的位移增大现象已基本消失,但在主框架梁下层,位移增大现象仍很明显.在模式B和模式D下得到的φ值和η值接近,而模式C和模式E下得到的φ值和η值接近,模式A的计算结果则与另4种加载模式下结果存在较大差异.结合结构各塑性铰出现位置和先后次序来看,φ值和η值随楼层的分布及塑性铰分布主要与水平力合力作用点的高度有关,合力作用点位置越低,则下部楼层的变形占结构变形总量的比重越大,下部楼层的破坏越重,而上部楼层的破坏则相对较轻.由结构底部剪力-顶点位移曲线可以看出,模式B、模式D、模式E得到的曲线明显重合,而模式A曲线偏高较多,模式C曲线则略为偏低,但5条曲线均存在2次明显的转折,桁架式主框架梁杆件屈服使曲线出现第1个转折点,而第2个转折点则在底层主框架柱出铰时出现.综上所述,除模式A外,另4种荷载模式差别不太大.但模式E最为合理,建议在巨型框架结构的静力弹塑性分析中优先选用.2.2.2主框架梁的破坏采用水平加载模式E,对模型A进行静力弹塑性分析.结果表明,结构塑性铰首先出现在第4巨框段的次框架梁上,其后是次框架柱和顶层桁架式主框架梁(采用钢筋混凝土桁架,故截面承载力较下三道桁架低得多);主框架梁中,X型撑中反八字撑开裂较早,这主要是由于在竖向荷载作用下已承受较大的轴向拉力;主框架梁出铰时基底剪力为277.388MN,约相当于按振型分解反应谱法计算得到的七度多遇时基底剪力的3倍.从主框架梁的破坏来看,除桁架杆件端部压(拉)弯塑性铰外,桁架X型撑的上下弦杆及人字撑腹杆钢骨受拉屈服;四道主框架梁中,由下向上数第2道主框架梁破坏最严重,这主要是由于对变形曲线呈弯剪型的巨型框架,主框架柱的转角在中部接近最大值;在第2、第3巨框段中的次框架柱亦有较多塑性铰出现,但由于受到主框架的保护,并不会形成薄弱层;主框架柱在基底剪力为51.801MN时出铰,但由于其时主框架梁中杆件并未完全屈服,结构的整体抗弯能力尚未被耗尽,故侧推力仍可增加,在最终破坏时,基底剪力为59.835MN,约为主框架柱出铰时的1.15倍.静力弹塑性计算得到的最终塑性铰分布如图5所示,其出铰位置和时间与振动台试验结果是基本吻合的.2.2.3移对比曲线及其各骨架曲线仅以模型Y向侧移为研究对象.各水平加载模式下结构Y向基底剪力-顶点水平位移曲线见图4;在水平加载模式E下,模型A与模型B的Y向基底剪力-顶点水平位移对比曲线及其各自骨架曲线如图6所示,主框架梁层的存在大大提高了结构的抗侧刚度,且对巨型框架结构,主框架柱出铰后,结构所能承担的水平荷载尚能增长15%,而对应普通框剪结构,主框架柱出铰时,结构已变为机构.从结构巨框层及其上下层的层间位移角-层剪力关系曲线及对应的骨架曲线可以看出,采用三折线型骨架曲线可以对各楼层的力-位移关系进行较好模拟;在主框架柱出铰之后,第1道主框架梁及其上下层的位移增长较其上部的三道主框架梁位置对应楼层要快得多.2.2.4主框架的内力1主框架柱与结构基底弯矩对比由于主框架梁的约束,大大减小了主框架柱中弯矩.在七度多遇地震和破坏荷载作用下,主框架柱底弯矩和与结构基底弯矩之比分别为23.5%和27.6%.2抗破坏荷载作用下的剪力分布在竖向荷载作用下,主框架柱中剪力表现为:前后主框架柱中剪力大小相同,方向相反,在巨梁层及其上下层主框架柱中剪力较大,而其余楼层剪力依次减小,各巨框段中剪力分布呈内凹弓形.在七度多遇地震作用下,水平力引起的主框架柱中剪力与竖向荷载下主框架柱中剪力在同一量级,当不考虑竖向荷载组合时,主框架柱中剪力在一般楼层呈由上至下逐步增大趋势,而在桁架式主框架梁层存在明显的反向突变.在破坏荷载作用下,前后主框架柱中剪力已不再相同或对称,各巨框段内,主框架柱中剪力分布呈阶梯型,前主框架柱中剪力在桁架式主框架梁层及其下层较大,而后主框架柱中剪力在桁架式主框架梁层及其上层较大.主框架柱中剪力在第3道主框架梁层最大,而主框架梁下层的主框架柱中剪力增大效应较主框架梁上层更为明显.在七度多遇地震及破坏荷载作用下,主框架柱底剪力和与结构基底剪力之比分别为98.2%和96.9%.3抗挠性装置的应力在一般楼层,梁的轴力和剪力沿房屋高度基本是均匀分布的,其数值亦不大,但在桁架式主框架梁的上下弦杆与主框架柱的相交节点,传递的剪力和轴力均很大,而其中又以下弦节点为甚.因此,在条件许可的情况下,建议对桁架式主框架梁X型撑中的倒八字撑施加预应力,这样,有利于减小主框架梁挠度;延缓倒八字撑的开裂;减小桁架式主框架梁下弦与主框架柱相交部位所需传递的剪力.2.2.5宏观地震反应特性运用谱分析对结构整体的抗震性能进行评估是静力弹塑性方法的主要功能之一.计算得到的模型A地震影响系数曲线见图7.图中反应谱系根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)绘制,根据以往的研究成果和振动台试验实测值,对七度多遇、常遇、罕遇和八度罕遇地震分别取阻尼比为0.05,0.06,0.075和0.1.由图7可以看出,巨型框架结构的整体抗震性能较普通框剪结构有较大提高,结构的实际反应曲线(能力谱)穿越了七度小震和大震的反应谱曲线(需求谱),主框架梁出铰造成的实际反应曲线的第1个明显转折点在七度常遇反应谱以上,表明此结构能满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求.能力谱与需求谱的交点被称为特征反应点,由特征反应点可以求得需求谱所对应的地震作用下结构的基本周期和弹塑性位移反应,如表2所示.静力弹塑性分析方法可以较好地反映巨型框架结构的实际抗震性能.3主要影响因素1)杆系模型静力弹塑性分析可较好地模拟出巨型框架结构中塑性铰出现的次序和位置、结构主要杆件内力以及基底剪力与控制点位移的相互关系.2)除模式A外,另4种水平荷载模式带来的差别并不大,但模式E最为合理,建议在