莊彥春(北京華茂中天建筑設(shè)計研究院,甘肅蘭州700000)

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某超限高層結(jié)構(gòu)的彈性和彈塑性時程分析

莊彥春
(北京華茂中天建筑設(shè)計研究院,甘肅蘭州700000)

摘要：利用SATWE軟件和midas軟件分別建立某高層的單塔和雙塔模型，比較了單塔和雙塔模型的計算結(jié)果，并比較了兩種軟件的單塔模型計算得到的該結(jié)構(gòu)的振型模態(tài)、重力、風(fēng)及地震總作用力，以及該結(jié)構(gòu)在風(fēng)及地震作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移。最后對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈塑性時程分析，對結(jié)構(gòu)在地震作用下構(gòu)件的損傷進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)；彈塑性；模型

1　工程概況

本工程位于山西省太原市，是一棟集辦公、商業(yè)和休閑于一體的甲級辦公樓。項目總建筑面積約15.43萬平方米，由三層地下室，三層裙房及兩棟完全對稱的塔樓組成。地上部分共41層，總高度為172.5m。塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，其中框架柱為型鋼混凝土柱，梁及剪力墻材料為鋼筋混凝土（局部插型鋼）。塔樓結(jié)構(gòu)的主題示意圖如圖1所示。

圖1　結(jié)構(gòu)主體示意圖

2　結(jié)構(gòu)彈性分析結(jié)果

軟件計算分析結(jié)果能夠在一定程度上方便輸出整理，能按照國內(nèi)規(guī)范對模型分析結(jié)果參數(shù)的有關(guān)輸出要求，并可用于檢驗結(jié)果是否符合規(guī)范限制要求，尤其是抗震設(shè)計要求的檢查項目，也是選擇分析程序的一個重要考量。該節(jié)選擇了SATWE軟件對樓房分別建立了單塔和雙塔模型進(jìn)行了分析計算，并利用midas軟件建立該樓房的單塔和雙塔模型進(jìn)行分析計算，將兩者的計算結(jié)果進(jìn)行對比。

表1給出了ATWE軟件的單塔和雙塔模型計算結(jié)果，雙塔模型與單塔模型的計算結(jié)果表明，按雙塔模型計算得出的各塔樓主要陣型與按單塔模型計算得出的相對應(yīng)，說明大底盤沒有改變各塔的自振特性。因此，以下計算的結(jié)果的分析和比較都選擇單塔模型。

表1　SATWE軟件的單塔和雙塔模型計算結(jié)果

表2給出了SATWE和MIDAS Building兩個軟件的單塔模型計算該結(jié)構(gòu)的振型模態(tài)結(jié)果的比較，從表中的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的X、Y方向的振型參與質(zhì)量為96.85%及97.38%（PKPM結(jié)果），滿足規(guī)范90%的要求。第一扭轉(zhuǎn)振型周期與第一平動周期的比值為0.730（PKPM結(jié)果），小于規(guī)范限值0.85。X、Y方向的振型參與質(zhì)量為91.74%及93.00%（MIDAS結(jié)果），滿足規(guī)范90%的要求。第一扭轉(zhuǎn)振型周期與第一平動周期的比值為05836 （MIDAS結(jié)果），小于規(guī)范限值0.85。

表3給出了SATWE和MIDAS Building兩個軟件的單塔模型計算該結(jié)構(gòu)的重力、風(fēng)荷載和地震總作用力結(jié)果的比較。從兩個軟件計算的結(jié)果可以看出，兩者的計算結(jié)果是相近的，在荷載計算時，midas得到的結(jié)果稍偏大于SATWE的計算結(jié)果。地震作用力在該結(jié)構(gòu)的X方向和Y方向的首層總剪力、首層剪重比也基本符合規(guī)范規(guī)定的限值。

表2　SATWE和MIDAS Building單塔模型計算振型模態(tài)結(jié)果的比較

表3　重力、風(fēng)及地震總作用力

表4給出了結(jié)構(gòu)在風(fēng)及地震作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移，從表中的計算結(jié)果可以看出，小震作用水平下位移控制工況為地震荷載。在風(fēng)及地震作用下樓層最大層間位移角滿足規(guī)范要求。

表4　在風(fēng)及地震作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移

3　彈塑性時程分析

本工程的彈塑性分析采用動力彈塑性時程分析方法。該方法未作任何理論的簡化，直接模擬結(jié)構(gòu)在地震力作用下的非線性反應(yīng)，是目前結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析領(lǐng)域較為完善的方法。

彈塑性時程分析的有限元模型最小網(wǎng)格長度控制在0.5m；梁單元主要采用B32模擬，較短單元考慮到時間步長采用B31單元；殼單元采用S4R 和S3R模擬；節(jié)點總數(shù)為3.1萬，單元總數(shù)為4.9萬。共選擇了兩組天然波和一組人工波共三組地震波來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的罕遇地震彈塑性時程分析，每組進(jìn)行兩個非線性分析，共六個時程分析工況，見表5。

表5　地震時程波輸入分析工況

在ABAQUS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)變程度作為評定標(biāo)準(zhǔn)，其與上述“高規(guī)”中構(gòu)件的損壞程度對應(yīng)關(guān)系見表6。

表6　ABAQUS計算結(jié)果與“高規(guī)”構(gòu)件損壞程度的對應(yīng)關(guān)系

1）鋼材料在屈服后其強度并不會下降，衡量其損壞程度的主要指標(biāo)是塑性應(yīng)變值。借鑒FEMA標(biāo)準(zhǔn)中塑性變形程度與構(gòu)件狀態(tài)的關(guān)系，設(shè)鋼材當(dāng)前應(yīng)變?yōu)榍?yīng)變2，4，6倍時分別對應(yīng)輕微損壞，輕度損傷和中度損壞三種程度。常用HRB400鋼屈服應(yīng)變近似為0.002，則上述三種狀態(tài)對應(yīng)的塑性應(yīng)變(扣除屈服應(yīng)變)分別為0.002，0.006和0.010；

2）混凝土在達(dá)到極限強度后會出現(xiàn)剛度退化和承載力下降，其程度通過受壓損傷因子dc來描述，dc的物理意義為混凝土的剛度退化率，如受壓損傷因子達(dá)到0.3，則表示抗壓彈性模量己退化30%。同時，還與混凝土的剩余承載力相對應(yīng)，dc越大，則混凝土剩余承載力越小。考慮到應(yīng)力集中的影響及混凝土本構(gòu)中未考慮箍筋約束的強度提高作用，我們將混凝土受壓損傷0.3設(shè)為中度損壞界限，大于0.3則認(rèn)為損壞較為嚴(yán)重；

3）對采用桿單元模擬的梁、柱、斜撐等構(gòu)件，鋼材（鋼筋）的塑性應(yīng)變會造成構(gòu)件剛度退化，但不會出現(xiàn)承載力下降，因此可視鋼材塑性應(yīng)變程度來區(qū)分為輕微損壞?比較嚴(yán)重?fù)p壞；而對于梁柱構(gòu)件中的混凝土，一旦出現(xiàn)較大的受壓損傷則肯定會造成構(gòu)件承載力下降，屬于輕度損壞?比較嚴(yán)重?fù)p壞；

4）剪力墻構(gòu)件由“多個細(xì)分混凝土殼元+分層分布鋼筋”共同構(gòu)成，以承受豎向

荷載和抗剪為主，對單個組成單元來說，其損傷程度判定標(biāo)準(zhǔn)與上述第3條相同。但對整個剪力墻構(gòu)件而言，由于墻肢一般不滿足平截面假定，在邊緣混凝土單元出現(xiàn)受壓損傷后，構(gòu)件承載力不會立即下降，其損壞判斷標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有所放寬?？紤]到剪力墻的初始軸壓比通常為0.5～0.6，當(dāng)50%的橫截面受壓損傷達(dá)到0.6時，構(gòu)件整體抗壓和抗剪承載力剩余約75%，仍可承擔(dān)重力荷載，因此以剪力墻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)；

5）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0.6時，尚不至于出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞而導(dǎo)致垮塌。

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中圖分類號：K826.16