多類型地震下土-核心筒-框架結(jié)構(gòu)響應評估

程 劍

(合肥碧祥房地產(chǎn)有限公司,安徽 合肥 230041)

在人類歷史上多次大地震的震害調(diào)查中,遠震區(qū)的高層結(jié)構(gòu)會有比普通結(jié)構(gòu)更為強烈的地震反應,這往往是由于受到長周期地震動的影響[1]。隨著土地資源的緊缺與結(jié)構(gòu)抗震性能設計要求的提升,帶地下室的混凝土核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系開始廣泛出現(xiàn)[2]。受限于地震動資料與研究方法,目前關于混凝土核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系的地震響應與損傷情況研究仍然較少。因此,在不同類型地震動作用下,研究土-地基-核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系的地震響應與損傷情況具有十分重要的現(xiàn)實意義。

本文以一典型混凝土核心筒-框架結(jié)構(gòu)作為用于數(shù)值模型分析的實際工程背景,考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的影響,利用有限元軟件ABAQUS對該結(jié)構(gòu)體系在三條不同類型地震動水平向作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能與損傷情況進行了研究,分析了該結(jié)構(gòu)體系的薄弱部位以及地震動類型所導致的地震響應差異。

1 工程概況

本文以一典型混凝土核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系為實際工程背景,該結(jié)構(gòu)體系剖面圖如圖1所示。結(jié)構(gòu)地上部分為15層,地下部分為2層,總高53 m,寬10 m。其地上結(jié)構(gòu)橫向尺寸為10 m×45 m,單層層高為3 m,樓板厚0.4 m,柱截面尺寸為0.6 m×0.6 m,核心筒截面尺寸為3 m×0.4 m。地下結(jié)構(gòu)橫向尺寸為10 m×8 m,單層層高為4 m,樓板厚0.4 m,柱截面尺寸為0.6 m×0.6 m,核心筒截面尺寸為3 m×0.4 m。該結(jié)構(gòu)體系采用的是標號為C60的混凝土。

本文計算場地土體參數(shù)選用具有代表性的典型土層地基[3],截取土體深度為70 m,土層分布及其參數(shù)如表1所示。

2 有限元模型的建立

2.1 土體和混凝土動力本構(gòu)模型及參數(shù)

使用ABAQUS軟件建立了土-地基-核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系的數(shù)值分析模型,如圖2所示。

表1 土層分布及其參數(shù)

在建立有限元模型時,混凝土核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系和土體都采用平面應變單元CPE4R進行離散。其中,混凝土采用塑性損傷本構(gòu)模型,其彈性模量取為36 GPa,泊松比取為0.2。場地土體通過等效線性化模型來考慮其動力作用下的物理特性,同時它也能夠體現(xiàn)土體一定的非線性屬性。場地土體和結(jié)構(gòu)之間的相互作用通過設置接觸來對其進行模擬,其中法向采用硬接觸,切向采用摩擦接觸,且摩擦系數(shù)取為0.4[4]。

2.2 土-地基-核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系計算模型的建立

為了減小橫向計算范圍和人工邊界對混凝土核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系的地震響應影響,通過參考文獻[5]的處理做法,將數(shù)值模型單側(cè)寬度定為結(jié)構(gòu)體系寬度的10倍,故二維數(shù)值模型的計算范圍為:200 m×70 m。模型土體網(wǎng)格的劃分尺寸則是滿足Kuhlemeyer[6]建議的表達式,使得波通過模型后仍能保持較高的精度。

3 相互作用體系輸入地震動

為探究不同類型地震動的特性對目標結(jié)構(gòu)體系的地震響應的影響情況,本文選取了常用的El Centro波和1999年中國臺灣集集地震中的長周期地震波KAU043波與普通地震波TCU089波作為基巖輸入地震動,其水平向加速度時域響應與傅氏變化幅值譜展示在圖3中。表2展示列舉了選用的地震動的重要特征,包括持時、時間步長、卓越頻率等。按7度抗震設防標準,本文將輸入地震波的峰值加速度調(diào)整至0.1g,數(shù)值模型共設計了三種工況:KAU043水平向作用;El Centro水平向作用;TCU089水平向作用。

表2 地震波的特征信息

4 抗震性能分析與損傷評估

4.1 核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系側(cè)向位移反應分析

圖4展示了在選用的不同地震波輸入下核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系沿高度方向相對水平位移結(jié)果。由圖4可知,結(jié)構(gòu)體系的水平位移均呈倒三角形式,地下結(jié)構(gòu)相較于地上結(jié)構(gòu)具有更大的水平變形率。除此之外,KAU043波作用下的水平位移最大,為42.1 cm;TCU089波次之,水平位移為17.1 cm;El Centro波最小,水平位移為9.9 cm。因此,長周期地震波KAU043作用會導致該結(jié)構(gòu)體系具有更大的位移反應。而兩條普通地震波中,由于TCU089波的卓越頻率更接近結(jié)構(gòu)體系基頻,因此結(jié)構(gòu)體系的位移反應大于El Centro波。

4.2 核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系應力反應分析

圖5給出了在選用的不同地震波輸入下核心筒-框架結(jié)構(gòu)的Mises應力云圖。由圖5可知,低樓層的柱頂與柱腳、地下結(jié)構(gòu)核心筒腳、地下結(jié)構(gòu)底板是地震中核心筒-框架結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位。所設計的不同輸入工況下以上所述部位的Mises應力最值展示在表3中,由此可得,在以上所述部位中地下結(jié)構(gòu)核心筒腳的Mises應力值最大。地震波類型對應力大小的影響與位移反應基本一致。此外,長周期地震波KAU043作用下,上部結(jié)構(gòu)的薄弱部位發(fā)生了改變,在此類結(jié)構(gòu)體系的抗震設計中需要予以重視。

4.3 核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系損傷分析

進一步對核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系的損傷情況進行分析,圖6給出了核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系在三條地震波作用下的受拉損傷云圖,由圖6可知三種工況下,地下結(jié)構(gòu)核心筒腳出現(xiàn)了最為明顯的受損情況,是結(jié)構(gòu)體系的抗震薄弱部位。此外,地下結(jié)構(gòu)底板出現(xiàn)了不同程度的損傷,損傷因子如表4所示。可以發(fā)現(xiàn),不同類型的地震波對于地下結(jié)構(gòu)底板損傷的影響差異大于核心筒腳損傷。核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系上部結(jié)構(gòu)在三條地震波作用下均未出現(xiàn)損傷,表明該結(jié)構(gòu)體系具有良好的抗震性能,在7度抗震設防標準下安全度高。

表3 核心筒-框架結(jié)構(gòu)薄弱部位應力 MPa

表4 核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系損傷

5 結(jié)論

通過本文的研究,可得到以下結(jié)論:

1)地震作用下核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系沿高度方向相對水平位移呈倒三角分布,地下結(jié)構(gòu)相較于地上結(jié)構(gòu)具有更大的水平變形率。

2)低樓層的柱頂與柱腳、地下結(jié)構(gòu)核心筒腳、地下結(jié)構(gòu)底板是地震中結(jié)構(gòu)體系的抗震薄弱部位,這些區(qū)域會有較大的應力反應與損傷情況。

3)長周期地震動與卓越頻率接近結(jié)構(gòu)體系基頻的地震動都會加劇結(jié)構(gòu)地震反應。因此在核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系設計中,需要考慮不同類型地震動對核心筒-框架結(jié)構(gòu)體系地震反應的影響。