深圳某框架-核心筒結(jié)構(gòu)的彈塑性分析

郭勁松 沈飛揚(yáng) 蘭旭博

摘要：該工程位于深圳市，本研究運(yùn)用SAUSAGE軟件建立了深圳某超高層的電算模型，并對該工程在罕遇地震下進(jìn)行彈塑性分析，結(jié)果顯示各層層間位移滿足規(guī)范要求，主要豎向構(gòu)件損傷較輕，主要耗能構(gòu)件連梁發(fā)揮了優(yōu)良的性能，雖然局部破壞嚴(yán)重，但不會危及整體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體性比較穩(wěn)定，罕遇地震作用下可以達(dá)到規(guī)范要求的"大震不倒"的要求。

Abstract： The project is located in Shenzhen City. This study used SAUSAGE software to establish a super-high-rise computer model in Shenzhen， and carried out elastoplastic analysis of the project under rare earthquakes. The results show that the displacement between layers is meeting the requirements of the specification， the main vertical members are less damaged， and the main energy-consuming members have excellent performance. Although the local damage is serious， it will not endanger the overall structure， and the structural integrity is relatively stable. Under the rare earthquake， it can meet the requirements of "not fall under the big earthquake".

關(guān)鍵詞：SAUSAGE軟件;彈塑性分析;位移角;罕遇地震

Key words： SAUSAGE software;elastoplastic analysis;displacement angle;rare earthquake

中圖分類號：TU973+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）21-0135-03

0? 引言

社會高速發(fā)展的今天，建筑物越建越高，越來越復(fù)雜，各種超高層綜合體層出不窮，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性更是成為了重中之重，這就對設(shè)計(jì)師有了不小的挑戰(zhàn)。隨著各種數(shù)值模擬軟件的進(jìn)步，工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸成熟。

本文利用目前得到設(shè)計(jì)院廣泛認(rèn)可的SAUSAGE軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，不僅可以獲得各個(gè)樓層的層間位移信息，和主要抗側(cè)力單元的損傷程度和損傷分布等多項(xiàng)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)結(jié)果，同時(shí)還能獲得構(gòu)件在不同時(shí)刻性能狀況和破壞順序，通過對各種指標(biāo)分析可以對罕遇地震下結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評價(jià)，可以對工程設(shè)計(jì)也有一個(gè)引導(dǎo)和校核作用。

1? 工程概況

本工程位于經(jīng)濟(jì)特區(qū)深圳市，建成渲染圖參考圖1。集團(tuán)大樓高度為149.7m，其中標(biāo)準(zhǔn)層層高4.25m，總建筑面積47950.22m2。地上部分共有33層，地下3層用作停車位和設(shè)備間，臨街商業(yè)裙房在前7層，以上26層主要是商務(wù)用途，8層和21層為該筒體結(jié)構(gòu)的避難層。抗震設(shè)防烈度和類別為7度、丙類，場地類別為II類，特征周期Tg為0.35s，設(shè)計(jì)使用年限為50年。超限信息：高度超限、位移比超限、局部剛度突變、穿層柱、斜柱。

該工程結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)成了框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。圖2給出了標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖，筒體剪力墻從車庫三層一直延伸到結(jié)構(gòu)頂層。其中筒體剪力墻長度為26.8m，寬度為9.6m。核心筒混凝土強(qiáng)度等級和墻體厚度見表1。現(xiàn)澆梁板，板厚120mm。地下首層頂板為嵌固端，頂板厚度為180mm。塔樓1-14層采用十字勁混凝土組合柱和箱型勁混凝土組合柱，15-33層采用矩形混凝土柱，柱尺寸和柱混凝土強(qiáng)度等級見表2。

2? 結(jié)構(gòu)模型

2.1 結(jié)構(gòu)整體分析模型

由于SAUSAGE軟件建模不方便，本文采用YJK模型導(dǎo)入SAUSAGE（見圖3），并進(jìn)行整體動力彈塑性分析。材料模型利用纖維梁模型來模擬桿件比如梁和柱子，同時(shí)利用分層殼模型模擬各種樓板，耗能連梁以及墻肢。為了判斷采用YJK導(dǎo)入的模型是否合理，首先對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，通過周期、質(zhì)量等數(shù)據(jù)可以對模型進(jìn)行大體判斷。表3列出了YJK模型的周期、質(zhì)量數(shù)值和導(dǎo)入SAUSAGE模型后的數(shù)值，兩種軟件的數(shù)值結(jié)果差別不大。由于SAUSAGE中包含鋼筋的重量，YJK沒有計(jì)算鋼筋質(zhì)量，所以總質(zhì)量要比YJK模型總質(zhì)量略微大點(diǎn)。

2.2 纖維梁模型

SAUSAGE軟件的纖維梁模型可以比較準(zhǔn)確對桿系進(jìn)行模擬，之所以比較準(zhǔn)確，是因?yàn)榫?xì)到了截面纖維層次。框架部分采用鐵木辛柯梁模擬，通過先求各纖維上的應(yīng)力應(yīng)變可以獲取截面的內(nèi)力，通過積分圖4的各個(gè)單元積分點(diǎn)，可以準(zhǔn)確求出整個(gè)單元的內(nèi)力。SAUSAGE軟件所支持的各種梁截面由1個(gè)或多個(gè)子截面和鋼筋組合而成，單元內(nèi)力計(jì)算時(shí)，分別對各個(gè)子截面和鋼筋纖維所產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行積分，最后對各內(nèi)力進(jìn)行簡單地疊加求和，即為梁單元內(nèi)力[1]。

2.3 分層殼模型

剪力墻、樓板、連梁采用彈塑性分層殼單元，適合模擬剪力墻和樓板、連梁在大震作用下進(jìn)入非線性的狀態(tài)。下面具體介紹分層殼模型計(jì)算原理：將殼單元分成圖5這樣的層，各層可以根據(jù)需要設(shè)置不同的厚度和材料性質(zhì)（如混凝土、鋼筋）。基于各層材料之間的平截面假定，由中心層應(yīng)變和曲率得到各鋼筋和混凝土層的應(yīng)變，進(jìn)而由各層的材料本構(gòu)方程得到各層相應(yīng)的應(yīng)力，再積分得到整個(gè)殼單元的內(nèi)力[2]。軟件給出的分層殼模型要比以前的宏觀模型[3]模擬的更加精確，可以疊加rebar-layer考慮多層分布鋼筋的作用，還可以考慮面內(nèi)面外的彎曲耦合作用，更為適合模擬實(shí)際工程中剪力墻和樓板大震作用下的非線性行為。

3? 罕遇地震下的彈塑性時(shí)程計(jì)算

選用天然波1、天然波2、特制人工波三組波，天然波2時(shí)程曲線見圖6，人工波是根據(jù)深圳該工程施工地點(diǎn)的地貌和地質(zhì)特性制成的。彈塑性時(shí)程分析時(shí)所用地震加速度時(shí)程的最大值為220gal，并且本次研究考慮了雙向地震作用。這三組地震波符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]和高規(guī)要求。導(dǎo)入這3組地震波后，SAUSAGE可以自動生成不同方向上的工況，依次對這幾組工況進(jìn)行時(shí)程分析，具體數(shù)據(jù)詳見表4。

不同分析情況下的基底剪力可以判斷彈塑性結(jié)果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，由表5可知，大震彈塑性時(shí)程基底剪力為小震彈性基底剪力的3.8倍左右，可以判斷地震力在合適的范圍內(nèi)，大震彈塑性時(shí)程基底剪力與大震彈性時(shí)程基底剪力比值在0.7左右，說明罕遇地震下彈塑性時(shí)結(jié)構(gòu)整體性能較好，耗能水平優(yōu)良。

4? 罕遇地震作用下的構(gòu)件抗震性能

軟件彈塑性分析完成后，利用SAUSAGE后處理功能，可以查看單元性能，構(gòu)件性能，鋼筋塑性應(yīng)變等多個(gè)指標(biāo)，進(jìn)而可以對該超高層做抗震評價(jià)，性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見圖7。不在對每條波進(jìn)行論述，本文主要以基底剪力較大的天然波2，X為主方向的計(jì)算結(jié)果對柱、樓板、剪力墻、連梁等重要構(gòu)件進(jìn)行抗震性能進(jìn)行評價(jià)。時(shí)程分析的優(yōu)勢就是可以看到不同時(shí)刻的構(gòu)件損壞情況，也可以看到結(jié)構(gòu)的整個(gè)破壞過程。罕遇地震作用的時(shí)候，構(gòu)件損壞順序是連梁最早產(chǎn)生損壞見圖8，圖9、圖10為30s時(shí)罕遇地震下剪力墻損傷分布和結(jié)構(gòu)整體損傷分布，圖11為30s時(shí)頂層樓板損傷分布。由圖可知墻體損壞主要集中在連梁和連梁端部位置，連梁最先損壞來抵消一部分地震能量，是罕遇地震時(shí)保護(hù)建筑物的首要構(gòu)件;剪力墻墻身大多處于輕微損壞或無損壞狀態(tài)，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻沒有嚴(yán)重?fù)p壞，底部加強(qiáng)區(qū)連梁輕度損壞見圖12;框架柱損壞較輕，沒有失去承載力，可以保證建筑物的安全;框架梁大部分處于輕微損壞，沒有出現(xiàn)較大破壞;各主要構(gòu)件在罕遇地震下受力性能良好。

5? 結(jié)論

本文利用目前設(shè)計(jì)院廣泛認(rèn)可的SAUSAGE軟件建立有限元模型，能夠比較快速的對復(fù)雜超限結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析，該工程可以得出：①通過YJK建立結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)模型然后導(dǎo)入SAUSAGE軟件中進(jìn)行分析，是一種比較簡便的對復(fù)雜超限高層彈塑性分析的方法，可以較快對實(shí)際中復(fù)雜超高層建筑進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性分析，SAUSAGE的“雙U”計(jì)算模式能充分發(fā)揮GPU的性能，計(jì)算用時(shí)5個(gè)小時(shí)左右，完全可以滿足實(shí)際設(shè)計(jì)的需要。②該筒體結(jié)構(gòu)在罕遇地震下位移參數(shù)滿足抗規(guī)要求。總地震時(shí)長30s結(jié)束時(shí)，結(jié)構(gòu)總體損壞不嚴(yán)重，承重構(gòu)件沒有遭到嚴(yán)重破壞，滿足大震不倒的設(shè)防要求。③連梁是建筑物的“第一道防線”。框架的承載力完全滿足要求，未出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，框架是連梁后保護(hù)建筑物的“第二道防線”。樓板只有頂層局部出現(xiàn)中度損傷，大震下水平力傳遞比較良好，該超高層結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)合理。

參考文獻(xiàn)：

[1]高性能彈塑性動力時(shí)程分析軟件PKPM-SAUSAGE評審技術(shù)報(bào)告[M].廣州：廣州建研數(shù)力建筑科技有限公司，2014.

[2]章征濤，裘趙云，夏長春，樊嶸.某超高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2016，46（S2）：204-209.

[3]韓小雷，李靜.基于性能的超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)——理論研究與工程應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

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