基于PERFORM-3D的某超限高層結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析

羅　凡

(廈門合道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司　福建廈門　361004)

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基于PERFORM-3D的某超限高層結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析

羅凡

(廈門合道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司福建廈門361004)

某超限高層辦公大樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，為了全面評(píng)估其抗震性能水平，借助三維非線性結(jié)構(gòu)分析軟件PERFORM-3D對(duì)該超限結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性分析，得到了結(jié)構(gòu)的整體地震響應(yīng)和構(gòu)件性能狀態(tài)。分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范規(guī)定的層間位移角要求，各構(gòu)件基本實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的抗震性能目標(biāo)水準(zhǔn)。

框筒結(jié)構(gòu)；動(dòng)力彈塑性分析；PERFORM-3D；抗震性能

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1　工程概況

本項(xiàng)目位于福建省泉州市城東片區(qū)，該辦公大樓為總建筑面積6.3萬(wàn)平米的5A綜合樓(1至4層為商業(yè)及辦公；5～33層為辦公,12、23層為避難層)，規(guī)劃高度為133.6m(圖1)。建筑抗震設(shè)防類別為丙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限50年。所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15g，設(shè)計(jì)地震分組：第三組；場(chǎng)地類別：Ⅱ類；特征周期根據(jù)規(guī)范[1]為Tg=0.45sec(安評(píng)報(bào)告小震為Tg=0.45sec)，按建筑類別調(diào)整后用于結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算的烈度為7度，按建筑類別及場(chǎng)地調(diào)整后用于確定抗震等級(jí)的烈度為7度。

2　結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)及超限情況說(shuō)明

2.1結(jié)構(gòu)體系研究

圖1　辦公大樓效果圖

本工程采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。主樓建筑高度為133.5m,寬度為38.0m,高寬比為3.51，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)[1]3.3.2條中框架-核心筒7度最大高寬比為7的要求；核心筒的寬度為19.0m，筒體高度與寬度比為7小于12；主樓高度超過(guò)《高規(guī)》[1]表3.3.1～1中框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系7度最大高度130m的限值，適用于B級(jí)高度。

樓面結(jié)構(gòu)：上部樓層板采用鋼筋混凝土梁、板體系，厚度120～150mm，屋面板板厚120～150mm。 結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土柱，底層柱斷面1 300mm×1 300mm～1 600×1 600mm，往上到二十九層逐漸減小至1 000mm×1 000mm，頂部幾層柱斷面進(jìn)一步縮減至800mm×800mm；剪力墻采用鋼筋混凝土墻，內(nèi)筒外圍墻體厚度由700mm變化到450mm，內(nèi)部墻體厚度400mm～200mm。

2.2結(jié)構(gòu)體系布置

結(jié)構(gòu)三維模型及標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面如圖2和圖3。

圖2　結(jié)構(gòu)三維模型圖

圖3　標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

2.3超限情況的認(rèn)定

依據(jù)住建部建質(zhì)[2010]109號(hào)文件《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》，經(jīng)初步判斷，本建筑物存在需抗震設(shè)防專項(xiàng)審查及主要超限情況如下:

(1)考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，屬扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；

(2)一層存在局部穿層柱；

(3)本工程結(jié)構(gòu)總高度為133.5m，超過(guò)7度區(qū)框架-核心筒結(jié)構(gòu)130m的高度限值。

3　抗震性能目標(biāo)確定

針對(duì)本結(jié)構(gòu)超限及不規(guī)則情況，綜合考慮《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]的要求，將本工程的抗震設(shè)防性能目標(biāo)確定為 C 級(jí)，結(jié)構(gòu)分析中采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，并參照美國(guó)規(guī)程 ASCE41，將結(jié)構(gòu)性能水平分為以下 4 個(gè)階段(圖4)：彈性階段(OP)、立即使用階段(IO)、 生命安全階段(LS) 、防止倒塌階段(CP)[3]，針對(duì)整體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)構(gòu)件分別設(shè)定了罕遇地震作用下的抗震性能目標(biāo)，具體內(nèi)容見表1。

表1　抗震性能目標(biāo)

圖4　性能水平示意圖

4　罕遇地震動(dòng)力彈塑性分析

為判斷結(jié)構(gòu)是否滿足預(yù)先設(shè)定的抗震性能目標(biāo)，本工程采用PERFORM-3D對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性分析。計(jì)算時(shí)考慮幾何非線性P-Δ效應(yīng)和材料非線性，采用瑞利阻尼。

4.1材料本構(gòu)

鋼筋和鋼材本構(gòu)模型采用三折線模型(圖5)，在循環(huán)過(guò)程中不考慮過(guò)極限點(diǎn)的剛度退化。混凝土采用多折線模型來(lái)模擬混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011-2002)[4]附錄C的公式確定相關(guān)參數(shù)，不考慮混凝土的受拉承載力(圖6)。本工程鋼筋均采用HRB400，豎向構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60～C35，梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35～C30。

圖5　鋼筋和鋼材本構(gòu)模型

圖6　混凝土本構(gòu)模型

4.2構(gòu)件單元模型

樓面的框架梁由兩端的彎矩-曲率型塑性鉸+中部彈性桿組成，對(duì)混凝土連梁，除設(shè)彎矩轉(zhuǎn)角鉸外，另加設(shè)剪力位移鉸(圖7)。框架柱和剪力墻單元采用纖維單元模型[5](圖8)。

(1)框架梁?jiǎn)卧?/p>

(2)連梁?jiǎn)卧獔D7　框架梁和連梁?jiǎn)卧窘M成

(1)框架柱單元 (2)剪力墻單元圖8　框架柱和剪力墻正截面纖維模型

4.3地震波的選取

通過(guò)小震彈性時(shí)程分析選波原則和方法，選取了5條天然波和2條人工波，地震參數(shù)詳見表2。進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，各分析工況均采用雙向輸入，主、次方向地震強(qiáng)度比按1∶0.85確定，總計(jì)14個(gè)工況。

表2　地震參數(shù)

4.4分析結(jié)果

4.4.1動(dòng)力特性

分別采用Perform-3D和SATWE進(jìn)行模態(tài)分析得出的結(jié)果如表3、表4所示，兩者前三階周期和模型總質(zhì)量基本一致，說(shuō)明所建立的Perfrom-3D模型是可靠和合理的。

表3　振型結(jié)果

表4　模型總質(zhì)量　t

4.4.2結(jié)構(gòu)整體地震響應(yīng)

結(jié)構(gòu)在0°和90°主方向罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角如圖9所示。從圖9中可以看出，結(jié)構(gòu)在7條地震波作用下，X向最大平均層間位移角為1/288，出現(xiàn)在20層；Y向最大平均層間位移角為1/246，出現(xiàn)在22層，均小于規(guī)范限值1/100，結(jié)構(gòu)的整體剛度滿足抗震規(guī)范要求。

(1)X向　　　　(2)Y向圖9　層間位移角

4.4.3結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能評(píng)估

選取地震響應(yīng)較大的GM2波在X主方向作用下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行性能評(píng)估說(shuō)明。構(gòu)件在各水準(zhǔn)下的塑性狀態(tài)通過(guò)抗震性能水平圖中的顏色表現(xiàn)出來(lái)，紅色表示構(gòu)件超過(guò)了預(yù)定的損傷極限狀態(tài)， 黃色、綠色、藍(lán)色所表示的損傷程度依次降低，且均不超過(guò)預(yù)定的損傷程度，其所處的狀態(tài)與極限狀態(tài)的比值可以自己定義[6]。

剪力墻的抗震性能水平如圖10所示。從圖10中可以看出，剪力墻在地震作用下，鋼筋拉應(yīng)變處于OP階段，即彈性階段；底部加強(qiáng)區(qū)混凝土壓應(yīng)變也沒有進(jìn)入塑性，塑性變形保持在OP～I(xiàn)O階段，即正常運(yùn)行階段，其余區(qū)域混凝土壓應(yīng)變均處于彈性階段。提取筒體剪力墻軸力時(shí)程曲線，觀察到在整個(gè)地震過(guò)程中剪力墻未出現(xiàn)拉力。

外框柱的抗震性能水平如圖11所示。從圖中可以看出，在地震作用下，外框柱沒有進(jìn)入塑性，底層外框柱塑性變形保持在OP～I(xiàn)O階段，即正常運(yùn)行階段，其余外框柱均處于OP階段，即彈性階段，保證了外框柱形成結(jié)構(gòu)的二道防線。提取外框柱軸力時(shí)程曲線，觀察到在整個(gè)地震過(guò)程中外框柱未出現(xiàn)拉力。

(鋼筋拉應(yīng)變水平)　　　　(混凝土壓應(yīng)變水平)

圖10　剪力墻鋼筋拉應(yīng)變和混凝土壓應(yīng)變水平

圖11　外框柱抗震性能水平

(1)全部樓層　　　　(2)局部樓層

圖12　樓層梁抗震性能水平

框架梁和連梁的抗震性能水平如圖12所示。從圖中可以看出，在地震作用下，全樓大部分框架梁和連梁均進(jìn)入了塑性階段，中間層的塑性變形較大，上部和下部的梁塑性變形較小。其中聯(lián)系筒體和外框架之間的框架梁基本處于LS階段，即生命安全階段，而核心筒內(nèi)的連梁損傷較嚴(yán)重，塑性變形較大，處于或部分超過(guò)CP階段，即安全極限狀態(tài)，在地震作用下，逐步退出工作，這也符合連梁作為主要塑性耗能構(gòu)件的要求。

4.4.4耗能分析

結(jié)構(gòu)在GM2波作用下的能量耗散圖如圖13所示。輸入結(jié)構(gòu)的地震能量主要有四種形式的輸出途徑，分別是動(dòng)能、應(yīng)變能、阻尼耗能和滯回耗能。圖中紅色部分為構(gòu)件非線性滯回耗能，所占比例較低，大約為30%，主要是通過(guò)框架梁和連梁的塑性變形產(chǎn)生，而阻尼耗能所占比例較高，說(shuō)明結(jié)構(gòu)大部分構(gòu)件還處于彈性狀態(tài)或輕微的塑性狀態(tài)。通過(guò)連梁在地震作用下的滯回曲線(圖14)可以看出，該曲線形狀較為飽滿，也說(shuō)明連梁的設(shè)置起到了耗散和吸收大部分地震波能量的作用，從而保護(hù)了其他關(guān)鍵構(gòu)件。

圖13　罕遇地震下耗能分配圖

圖14　連梁滯回曲線圖

5　結(jié)論

通過(guò)建立基于PERFORM-3D軟件的有限元模

型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性分析，得到了結(jié)構(gòu)整體地震響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能水平。在7條地震波作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角均滿足規(guī)范要求。豎向構(gòu)件塑性變形小，抗震性能水平基本處于立即使用階段。樓層框架梁和連梁消耗了大部分的地震能量，進(jìn)入了較高程度的非線性狀態(tài)，部分連梁達(dá)到了設(shè)定的防倒塌階段。經(jīng)過(guò)綜合分析和評(píng)估，該超限高層框筒結(jié)構(gòu)能夠滿足“大震不倒”的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和其他各項(xiàng)性能目標(biāo)。

[1]JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011．

[2]GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010．

[3]ASCE/SEC41-46 Seismic Rehabilitation of Existing Buildings[S]．USA: American Society of Civil Engineers，2007．

[4]GB 50011-2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010．

[5]CSI Perform components and elements for PERFORM-3D and PERFORM-COLLAPSE [M].Computers and Structures Inc．，Berkeley，California，2006

[6]賈慶國(guó)，王曙光，劉偉慶，等.常州凱越中心12#樓抗震性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013, Vol.23(S1): 504-508.

羅凡(1986.05- )，男，碩士，工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)方面的工作。

Dynamic nonlinear analysis of a high-rise building based on PERFORM-3D

LUOFan

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Co.,Ltd.,Xiamen 361004)

RC frame-tube structure is adopted for a high-rise building beyond code limits. In order to evaluate the structural seismic performance, the dynamic nonlinear analysis was carried out by means of three dimensional nonlinear structure analysis software PERFORM-3D。The overall seismic response of the structure and the performance status of the members are obtained. The analysis results show that the story drift satisfies the requirement of specifications. All components achieve the intended target performance levels.

Framed-tube structure; Dynamic nonlinear analysis; PERFORM-3D; Seismic performance

羅凡(1986.5-)，男，工程師。

2015-11-26

TU973

A

1004-6135(2016)01-0072-05