廣州金融城某地塊塔樓B結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析

黃 偵 玉

(廣州容柏生建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所，廣東 廣州 510030)

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廣州金融城某地塊塔樓B結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析

黃 偵 玉

(廣州容柏生建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所，廣東 廣州 510030)

以廣州金融城某地塊塔樓B為例，通過PKPM-SAUSAGE軟件，對(duì)塔樓B進(jìn)行了罕遇地震下動(dòng)力彈塑性分析，探討了該結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的響應(yīng)和主要構(gòu)件的損傷情況，指出塔樓B結(jié)構(gòu)滿足預(yù)定的性能目標(biāo)要求。

塔樓，動(dòng)力彈塑性分析，結(jié)構(gòu)損傷，抗震性能

1 概述

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)高度、復(fù)雜程度不斷增加，超限項(xiàng)目日益增多，全靠彈性分析的設(shè)計(jì)手段已無法滿足設(shè)計(jì)要求。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]都明確規(guī)定了彈塑性分析的相關(guān)要求。彈塑性分析是結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的有效分析手段，動(dòng)力彈塑性分析是將結(jié)構(gòu)作為彈塑性震動(dòng)體系，直接按照地震波數(shù)據(jù)輸入地面運(yùn)動(dòng)，通過積分運(yùn)算，求得地面加速變化期間內(nèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形隨時(shí)間變化的全過程。PKPM-SAUSAGE在結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析中具有結(jié)算高效、結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，王欣等[3]通過對(duì)比PKPM-SAUSAGE和國(guó)際通用有限元軟件ABAQUS[4]的分析結(jié)果表明，二者吻合較好。廣州金融城某地塊塔樓B棟超限設(shè)計(jì)中，采用PKPM-SAUSAGE進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析。

2 工程概況

本項(xiàng)目塔樓屋面結(jié)構(gòu)高度211.5 m，地面以上50層，結(jié)構(gòu)高

寬比5.64，采用框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系，核心筒高寬比20.43。該塔樓核心筒端部剪力墻在25層、43層有局部收進(jìn)，總體上結(jié)構(gòu)豎向剛度變化不大，結(jié)構(gòu)平面規(guī)則，樓板規(guī)整，有限元模型如圖1所示。本項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，地震設(shè)計(jì)分組為第一組，場(chǎng)地土類別為Ⅱ類，特征周期值為0.35 s，屬建筑抗震不利地段，主樓結(jié)構(gòu)抗震性能定為C級(jí)，超限情況及罕遇地震下的性能目標(biāo)如表1，表2所示。

表1 工程的超限情況

表2 工程罕遇地震下的抗震性能目標(biāo)

3 分析模型及方法

在本工程的非線性地震反應(yīng)分析模型中,所有對(duì)結(jié)構(gòu)剛度有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件均按實(shí)際情況模擬。動(dòng)力平衡方程可以表示為：

加速度與速度可以用位移表示：

代入動(dòng)力平衡方程，即可得到顯式分析求解方程：

其中，{δ}t+Δt為待求下一時(shí)刻的位移向量；{δ}t為當(dāng)前時(shí)刻已知位移向量；{δ}t-Δt為上一時(shí)刻已知位移向量；{F}t為結(jié)構(gòu)所承受的節(jié)點(diǎn)外力向量，如：豎向荷載、地震作用；[M]為集中質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣。

本工程中梁、柱及斜撐采用Timoshenko梁?jiǎn)卧猍5]模擬，為考慮梁?jiǎn)卧膹椝苄允芰μ卣鳎刹捎美w維梁模型[6]；剪力墻、連梁和樓板采用殼單元模擬，可采用分層殼模型，如圖2所示。為提高結(jié)構(gòu)的延性，通常連梁上下位置處設(shè)有面筋和底筋，在剪力墻的端部亦設(shè)有邊緣構(gòu)件。彈塑性分析時(shí)，連梁面筋、底筋與邊緣構(gòu)件桿單元采用桿單元模擬，僅考慮軸向拉壓作用。桿單元的截面可設(shè)為方鋼管，其面積相應(yīng)地取連梁面筋、底筋和邊緣構(gòu)件的配筋面積。

混凝土本構(gòu)關(guān)系選用彈塑性損傷模型，混凝土材料軸心抗壓和軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]表4.1.3取值。鋼材用雙線性隨動(dòng)硬化模型，考慮包辛格效應(yīng)，在循環(huán)過程中，無剛度退化。鋼材的強(qiáng)屈比設(shè)定為1.25，極限應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的極限塑性應(yīng)變?yōu)?.025。為提高分析的準(zhǔn)確性，本工程彈塑性分析中將不采用剛性樓板假定，對(duì)各層樓板均劃分為1 m×1 m網(wǎng)格密度的彈塑性殼單元來進(jìn)行分析，有限元計(jì)算自由度數(shù)目高達(dá)180多萬(wàn)。

4 結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)在各組波作用下的彈塑性分析整體計(jì)算結(jié)果如表3～表5以及圖3，圖4所示。

表3 各組地震波作用下結(jié)構(gòu)彈塑性大震基底剪力

表4 各組地震波作用下結(jié)構(gòu)最大頂點(diǎn)位移及最大層間位移角

表5 彈性大震與彈塑性大震下基底剪力比和頂點(diǎn)位移比

5 罕遇地震下結(jié)構(gòu)損傷情況

在PKPM-SAUSAGE中構(gòu)件的損壞主要以混凝土的受壓損傷因子及鋼材(鋼筋)的塑性應(yīng)變程度作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，與《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]中構(gòu)件的損壞程度相對(duì)應(yīng)。衡量鋼材損壞程度的主要指標(biāo)是塑性應(yīng)變值；混凝土的損傷通過受壓損傷因子[8]Dc來描述，將混凝土受壓損傷小于0.1設(shè)為中度損壞，大于0.1則認(rèn)為損壞較為嚴(yán)重。對(duì)采用桿單元模擬的梁、柱、斜撐等構(gòu)件，視鋼材塑性應(yīng)變程度區(qū)分為輕微損壞～比較嚴(yán)重?fù)p壞，而構(gòu)件中的混凝土一旦出現(xiàn)受壓損傷，則肯定會(huì)造成構(gòu)件承載力下降，屬于中度損壞～比較嚴(yán)重?fù)p壞；剪力墻構(gòu)件以受壓損傷橫截面面積作為其嚴(yán)重?fù)p壞的主要判斷標(biāo)準(zhǔn)；連梁和樓板的損壞程度判別標(biāo)準(zhǔn)與剪力墻類似，樓板以承擔(dān)豎向荷載為主，且具有雙向傳力性質(zhì)，小于半跨寬度范圍內(nèi)的樓板受壓損傷達(dá)到0.5時(shí)，尚不至于出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞而導(dǎo)致垮塌。

分析結(jié)果表明，裙房頂層柱頂及柱腳出現(xiàn)輕度～中度的塑性應(yīng)變，約為0.004～0.01，塔樓外框架柱在頂層邊跨出現(xiàn)輕度的塑性應(yīng)變，為0.002。柱混凝土受壓損傷僅在裙房柱外側(cè)角柱柱頂出現(xiàn)。框架柱滿足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

裙房相關(guān)樓層框架梁混凝土受壓損傷為局部中度～比較嚴(yán)重?fù)p傷，鋼筋塑性應(yīng)變?yōu)檩p度損傷；塔樓小部分框架梁梁端出現(xiàn)局部中度～比較嚴(yán)重的混凝土受壓損傷，大部分框架梁梁端出現(xiàn)輕度的鋼筋塑性應(yīng)變。裙房及塔樓框架梁滿足大震下“中度損壞，部分比較嚴(yán)重?fù)p壞”的性能要求。

裙房頂層樓板出現(xiàn)局部比較嚴(yán)重的混凝土受壓損傷，輕微的鋼筋塑性應(yīng)變，滿足預(yù)設(shè)的大震下“中度損壞，部分比較嚴(yán)重?fù)p壞”的性能要求；塔樓樓板出現(xiàn)輕微的鋼筋塑性應(yīng)變，核心筒內(nèi)連板、剪力墻收進(jìn)部位的樓板出現(xiàn)比較嚴(yán)重的受壓損傷，核心筒外樓板損傷分布較廣，但未出現(xiàn)連片損傷帶，不影響樓板的整體傳力性能，為中度受壓損傷，因此，核心筒樓板也滿足預(yù)設(shè)的大震下“中度損壞，部分比較嚴(yán)重?fù)p壞”的性能要求。

在彈塑性分析中，通過各片剪力墻在地震作用下混凝土的受壓損傷以及鋼筋的塑性應(yīng)變計(jì)算結(jié)果可對(duì)剪力墻抗震性能評(píng)價(jià)如下：

1)絕大部分剪力墻墻肢均未出現(xiàn)顯著的受壓損傷，結(jié)構(gòu)損傷主要集中在連梁上；結(jié)構(gòu)邊緣構(gòu)件基本上均為彈性狀態(tài)，表明大震下剪力墻基本可以實(shí)現(xiàn)抗彎不屈服的性能狀態(tài)，滿足預(yù)設(shè)的性能要求；

2)核心筒X向墻肢基本上未出現(xiàn)損傷，核心筒右側(cè)收進(jìn)墻肢在收進(jìn)層出現(xiàn)了中度受壓損傷，但仍滿足預(yù)設(shè)的性能要求；核心筒Y向墻肢大部分未出現(xiàn)損傷，或在墻肢邊緣出現(xiàn)局部的輕度～中度損傷，X向核心筒部分墻肢的收進(jìn)未對(duì)Y向墻肢帶來顯著影響。因此，結(jié)構(gòu)核心筒剪力墻損傷分布合理，邊緣構(gòu)件未屈服，連梁耗能機(jī)制發(fā)揮充分，滿足大震下的性能要求。

此外，罕遇地震下外框柱均未出現(xiàn)拉力；核心筒兩端剪力墻墻肢受到一定拉力，如果考慮兩端翼墻則受到的拉力不大，若分開則翼墻受到拉力較大，達(dá)6 394 kN；而核心筒Y向兩側(cè)剪力墻出現(xiàn)較大拉力，兩側(cè)最大拉力值分別為10 112 kN，18 374 kN。

6 罕遇地震彈塑性時(shí)程分析結(jié)論

綜上所述，通過PKPM-SAUSAGE對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果以及結(jié)構(gòu)損傷分析可得出以下結(jié)論：

1)在考慮重力二階效應(yīng)及大變形的條件下，結(jié)構(gòu)在地震作用下的最大頂點(diǎn)位移X向?yàn)?.068 m、Y向?yàn)?.308 m，并最終仍能保持直立，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求；

2)主體結(jié)構(gòu)在各組地震波作用下的最大彈塑性層間位移角X向?yàn)?/116、Y向?yàn)?/103，滿足規(guī)范限值要求；

3)結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角曲線總體較光滑，說明大震彈塑性下結(jié)構(gòu)沒有明顯的薄弱層和軟弱層出現(xiàn)，沒有顯著剛度突變，整體性好；

4)大震彈塑性時(shí)程分析首層剪重比為3.5%左右，首層X，Y向剪力與相應(yīng)小震彈性時(shí)程比值分別介于2.75～4.14和3.52～5.23，表明大震所選地震波對(duì)結(jié)構(gòu)的激勵(lì)足夠；

5)結(jié)構(gòu)外框架柱未出現(xiàn)顯著損傷、框架梁梁端出現(xiàn)中度損傷，裙房及塔樓框架滿足預(yù)設(shè)的性能要求；結(jié)構(gòu)主要損傷集中在連梁上，連梁的充分耗能整體上保護(hù)了主體承重結(jié)構(gòu)，確保了核心筒墻肢在大震下的延性儲(chǔ)備；

6)核心筒一端墻肢在中部樓層有局部收進(jìn)，局部收進(jìn)處墻肢出現(xiàn)中度損傷，相應(yīng)樓層部位樓板出現(xiàn)比較嚴(yán)重的受壓損傷；該損傷均符合預(yù)設(shè)的大震性能要求；

7)該結(jié)構(gòu)由于設(shè)置了大量的多連梁，在大震下基本均進(jìn)入塑性，從而有效吸收了強(qiáng)震下的地震能量，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。

通過以上分析表明，本工程罕遇地震作用下構(gòu)件滿足預(yù)先設(shè)定的性能目標(biāo)要求，整體結(jié)構(gòu)能達(dá)到“大震不倒”的目標(biāo)。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 王 欣，李志山.SAUSAGE軟件動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析方法及其應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，2012(11)：96-97.

[4] 閻紅霞，楊慶山，張麗英.ABAQUS在超高層結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析中的應(yīng)用[J].震災(zāi)防御技術(shù)，2010(3)：155-157.

[5] 朱炳麒，陳學(xué)宏.理性Timoshenko梁?jiǎn)卧捌鋺?yīng)用[J].力學(xué)與實(shí)踐，2008(1)：128-130.

[6] 閤東東，萬(wàn)金國(guó)，潘 鵬，等.纖維梁?jiǎn)卧Ｐ椭袖摻钅M方法對(duì)比研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013(2)：160-162.

[7] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8] 郭 明.混凝土塑性損傷模型損傷因子研究及其應(yīng)用[J].土木工程與管理學(xué)報(bào)，2011(3)：105-108.

Elastic-plastic time-history analysis of tower B in a block of Guangzhou Financial City

Huang Zhenyu

(RBSArchitecturalEngineeringDesignAssociates,Guangzhou510030,China)

Take the tower B in a block of Guangzhou Financial City as an example, we achieved elastic-plastic time-history analysis by PKPM-SAUSAGE software under the rare earthquake of tower B, discussed the response and damage of the structure under the rare earthquake, point out the structure satisfies the performance targets.

tower, elastic-plastic time-history analysis, structural damage, seismic performance

1009-6825(2016)26-0050-03

2016-07-06

黃偵玉(1987- )，男，碩士，工程師

TU313

A