復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計

馬 安 震

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津 300308)

復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計

馬 安 震

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津 300308)

復(fù)雜高層建筑的大量涌現(xiàn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計特別是抗震設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。為了探究復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的抗震性能，針對某32層型鋼混凝土框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，選取5條實測地震動加速度時程，開展了常遇地震和罕遇地震作用下的彈塑性時程分析研究。研究結(jié)合各類有限元分析軟件的特點，介紹了一種基于ETABS、SAP2000、PERFORM-3D三個有限元平臺的抗震分析流程。此外，通過對比結(jié)構(gòu)在不同地震動作用下的響應(yīng)，分析了地震動頻譜特性對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律。研究表明，該結(jié)構(gòu)在具有相同峰值的不同地震動作用下的響應(yīng)差異較大。

復(fù)雜高層；抗震；彈塑性時程分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計；PERFORM-3D

復(fù)雜高層建筑是20世紀80年代在我國逐漸出現(xiàn)的，它的出現(xiàn)有效緩解了城市用地緊張的問題，滿足了公眾日益多樣化的審美觀。近年來，由于結(jié)構(gòu)體系不斷創(chuàng)新，結(jié)構(gòu)理論不斷發(fā)展，新材料不斷出現(xiàn)，施工技術(shù)逐漸提高，使得復(fù)雜高層建筑層出不窮。其中，型鋼混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系是發(fā)展較快的高層建筑結(jié)構(gòu)形式之一。復(fù)雜高層建筑工程的出現(xiàn)對結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展起到相當(dāng)大的促進作用，但同時也對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)：結(jié)構(gòu)分析的難度和規(guī)模越來越大，抗震設(shè)計中結(jié)構(gòu)的破壞機理更加復(fù)雜[1-4]。

我國的抗震設(shè)計思想為“三水準設(shè)防目標，兩階段設(shè)計步驟”。兩階段設(shè)計步驟指的是小震作用下的彈性內(nèi)力和變形分析，以及大震作用下的彈塑性變形分析[5]。其中，大震作用下的彈塑性時程分析方法目前發(fā)展還不夠完善[6-7]。目前能夠?qū)崿F(xiàn)大震作用下彈塑性時程分析的軟件有多種。但是不同軟件的優(yōu)勢不同，有些軟件的建模速度快，有些軟件的本構(gòu)設(shè)置更合理[8-10]。本文針對一棟復(fù)雜高層辦公樓，借助ETABS、SAP2000、PERFORM-3D三款通用軟件，對彈塑性時程分析進行探討。

1 工程概況

該辦公樓共32層，結(jié)構(gòu)總高度129 m，平面基本尺寸為48 m×48 m，首層5.0 m，其它層高均為4.0 m。結(jié)構(gòu)體系為H型鋼混凝土框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。樓板無大開洞，形成剛性橫隔板，把核心筒與外框架聯(lián)系在一起。核心筒采用普通鋼筋混凝土剪力墻，外框架由型鋼混凝土柱和鋼梁構(gòu)成，標準柱距為9.6 m，矩形型鋼混凝土柱直徑從基底逐漸減少并延伸至屋頂，外框架梁采用焊接H型鋼梁與柱剛接，與核心筒墻體鉸接，其典型樓層布置和立面見圖1。主要構(gòu)件采用的混凝土強度等級如表1所示，考慮到辦公樓內(nèi)會設(shè)置會議室、檔案室和貯藏室等設(shè)施，荷載取值比現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中對辦公樓的標準偏高，其中恒荷載包括樓板自重，具體取值如表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料及強度

圖1 典型結(jié)構(gòu)平面布置圖及立面圖表2 荷載取值

注：內(nèi)隔墻荷載不考慮。結(jié)構(gòu)其余構(gòu)件自重由分析軟件自動計算，混凝土密度取2 700 kg/m3，鋼材密度取7 850 kg/m3。

2 分析模型的建立

相對于其它有限元分析軟件，PERFORM-3D計算成本小，計算結(jié)果能較好反應(yīng)結(jié)構(gòu)的非線性特征，應(yīng)用廣泛，所以選擇該軟件進行彈塑性時程分析[11-13]。但由于其建模過程復(fù)雜，建立模型往往會耗費大量時間。好在PERFORM-3D提供了ETABS和SAP2000的導(dǎo)入接口，先采用建模方便的ETABS軟件建立結(jié)構(gòu)模型，然后導(dǎo)入SAP2000，解決ETABS只能向PERFORM-3D導(dǎo)入結(jié)點與桿系的幾何屬性，而不能導(dǎo)入節(jié)點荷載與質(zhì)量、截面屬性、構(gòu)件屬性及梁荷載的問題[14]。同時進行質(zhì)量、荷載等信息檢查，模態(tài)分析，最后將模型導(dǎo)入PERFORM-3D中，修改結(jié)構(gòu)的材料、截面、構(gòu)件信息，對結(jié)構(gòu)進行彈塑性時程分析。如此大大提高了采用PERFORM-3D進行彈塑性時程分析的效率?；谌N軟件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)抗震分析流程如圖2所示。

圖2 基于三種通用軟件的抗震分析流程圖

在建模過程中采用了以下分析假定：

(1) 樓屋蓋可視為剛性橫隔板；

(2) 全部墻及框架柱均為中心對齊；

(3) 不考慮地下結(jié)構(gòu)，一層柱墻嵌固于±0；

(4) 異形柱簡化為方柱計算。

2.1 材料

混凝土材料，選用Inelastic 1D Concrete Material類型。考慮箍筋約束效應(yīng)對強度的提高，提高系數(shù)取1.4，考慮混凝土強度損失，不考慮混凝土的受拉強度。鋼筋及型鋼材料，均選用Inelastic、Steel Material、Non-Buckling類型，考慮包辛格效應(yīng)，應(yīng)力循環(huán)過程不考慮剛度的退化，極限應(yīng)變?nèi)?.02。

2.2 單元

混凝土梁柱墻均采用纖維單元。整體結(jié)構(gòu)計算模型由桿單元和殼單元組成，桿單元用于部分梁柱構(gòu)件，殼單元用于建立筒體和樓板結(jié)構(gòu)，樓板采用彈性樓板假定。筒體墻體采用平板殼精細有限元模型，平板殼單元中膜單元旋轉(zhuǎn)自由。

2.3 阻尼

在結(jié)構(gòu)動力分析中使用最多的是瑞利(Rayleigh)阻尼假定，即認為阻尼力正比于質(zhì)點運動速度和應(yīng)變速度，并可以取這兩種速度引起的阻尼力的線性組合。本文時程分析中采用瑞利阻尼，小震分析取0.04，大震分析取為0.05。采用瑞利阻尼假定時，欲求得質(zhì)量阻尼常數(shù)α和剛度阻尼常數(shù)β，必須先確定某兩個頻率對應(yīng)的阻尼比。而這兩個頻率的不同取法，將影響阻尼比曲線的形狀，使得結(jié)構(gòu)不同振型對應(yīng)的阻尼比發(fā)生變化。本文中取T1和0.25T1對應(yīng)的阻尼比來確定阻尼常數(shù)α和β。

2.4 地震波

選用5條天然地震加速度時程記錄作為地震動輸入，詳細信息見表3。將地震加速度峰值統(tǒng)一為70 gal后作出加速度反應(yīng)譜如圖3所示。

圖3 輸入地震動反應(yīng)譜表3 地震動輸入信息

3 動力特性分析

在進行彈塑性時程分析前，先進行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，并與ETABS、SAP2000的分析結(jié)果進行對比，以確定結(jié)構(gòu)計算模型質(zhì)量、彈性剛度等的準確性。表4給出了PERFORM-3D、SAP2000和ETABS分析求得的結(jié)構(gòu)前3階自振周期及振型的描述，圖4給出了結(jié)構(gòu)前3階振型圖。由于結(jié)構(gòu)整體比較規(guī)則，第一階振型為Y向平動，第二階為X向平動，第三階為扭轉(zhuǎn)振型。由表4數(shù)據(jù)可見，三個軟件對結(jié)構(gòu)周期的計算結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，說明模型導(dǎo)入誤差較小，導(dǎo)入結(jié)果可靠。

表4 結(jié)構(gòu)動力特性

4 動力時程分析

4.1 多遇地震分析

(1) 結(jié)構(gòu)頂點位移時程。上述地震輸入下樓頂標高129 m處(坐標(0,48,129))的位移時程如圖5所示。從位移時程可以看出，結(jié)構(gòu)在相同加速度峰值的不同地震波作用下的反應(yīng)有較大差異。結(jié)構(gòu)在B-El C090地震波作用下的水平向反應(yīng)最小(峰值僅為14.12 mm，8.21 s時刻)，在L604和L725地震波作用下的水平向反應(yīng)較大，位移峰值分別為572.92 mm(50.82 s)和618.03 mm(44.06 s)。結(jié)構(gòu)在不同地震動輸入下位移反應(yīng)的差異與圖2中結(jié)構(gòu)周期對應(yīng)的反應(yīng)譜值結(jié)果一致。

圖4 結(jié)構(gòu)前3階振型圖

圖5 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)頂點位移時程

(2) 層間位移響應(yīng)。選擇核心筒體結(jié)構(gòu)的左上角點，考察整體結(jié)構(gòu)在時程分析中的最大位移和層間位移包絡(luò)響應(yīng)值。對比5種地震波的計算結(jié)果可知，L725波輸入所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移和層間位移角最大。圖6表示實測地震輸入下角點處的層間位移角包絡(luò)圖。按照當(dāng)前的結(jié)構(gòu)設(shè)計和地震動輸入， 4條地震動輸入的層間位移角超過了當(dāng)前規(guī)范的限值要求。

4.2 9度罕遇地震分析

(1) 結(jié)構(gòu)頂點位移時程。將5條地震動加速度峰值調(diào)整為9度罕遇地震峰值(6.2 m/s2)。5條地震波在地震輸入下樓頂標高129 m處(坐標(9.6,48,129))的位移時程如圖7所示。從位移時程可以看出，結(jié)構(gòu)在相同加速度峰值的不同地震波作用下的反應(yīng)有較大的差異。

圖6 多遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)

圖7 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)頂點位移時程

結(jié)構(gòu)在B-El C090地震波作用下的水平向反應(yīng)最小(峰值僅為24.12 mm，8.34 s時刻)，在L604和L725地震波作用下的水平向反應(yīng)較大，位移峰值分別為1 034.31 mm(51.12 s)和1 503.03 mm(44.52 s)。對比彈性分析結(jié)果，結(jié)合圖2地震動反應(yīng)譜的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)周期附近(2.4 s左右)L604和L725的反應(yīng)譜值較高，而B-El C090和Taft的反應(yīng)譜值較低，結(jié)構(gòu)頂點位移也滿足同樣的規(guī)律。地震動的頻譜特性是結(jié)構(gòu)分析的重要參考[15]，由本文的分析可以看到，在復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的非線性分析中，地震動的頻譜特性依然是影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)的重要因素。

(2) 層間位移響應(yīng)。選擇核心筒體結(jié)構(gòu)的左上角點，考察整體結(jié)構(gòu)在時程分析中的最大位移和層間位移包絡(luò)響應(yīng)值。對比5種地震波的計算結(jié)果可知，L725波輸入所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移和層間位移角最大。圖8表示實測地震輸入下角點處的層間位移角包絡(luò)圖，按照當(dāng)前的結(jié)構(gòu)設(shè)計和地震動輸入，4條地震動輸入的層間位移角超過了當(dāng)前規(guī)范的限值要求。

圖8 罕遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)

5 結(jié) 語

通過對復(fù)雜高層辦公樓在地震作用下的彈塑性時程分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 基于ETABS+SAP2000+PERFORM-3D的分析流程充分利用了各軟件的優(yōu)勢，不僅提高了分析效率，且各軟件的模態(tài)分析結(jié)果可相互驗證以確保計算的準確度。上述實例分析證明了該分析流程的可行性、合理性與可靠性。

(2) 通過對比結(jié)構(gòu)頂點位移響應(yīng)和地震動反應(yīng)譜，發(fā)現(xiàn)地震動頻譜特性在結(jié)構(gòu)非線性分析中仍然具有重要參考價值。當(dāng)?shù)卣饎釉诮Y(jié)構(gòu)周期附近所含頻譜成分較多時，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的可能性變大。這一結(jié)論可以應(yīng)用于抗震分析的地震動選取。

從計算中可以發(fā)現(xiàn)，不同地震動輸入對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響很大。同時，不同的建模習(xí)慣和分析方法導(dǎo)致彈塑性分析的結(jié)果差異也較大。為了合理評價高層及超高層建筑的動力彈塑性行為，在地震動的選取、關(guān)鍵構(gòu)件的單元選擇、阻尼類型和取值、動力積分方法的選擇等方面還要做更為細致的研究。

[1] 呂西林.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2007：21-22.

[2] 汪大綏,周建龍.我國高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)發(fā)展與展望[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2010(6)：62-70.

[3] 魯小兵.高層框架—筒體剪力墻結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下彈塑性時程分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2006：34-36．

[4] 冷 斌，鄧 楊.斜交網(wǎng)格外支撐超高層結(jié)構(gòu)罕遇地震動力彈塑性時程分析[J].水利與建筑工程學(xué)報,2015,13(6)：58-64,69．

[5] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50011-2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：34-35．

[6] 婁 宇,溫凌燕,徐小燕,等.基于大震彈塑性時程分析的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu),2011,41(5):1-8．

[7] 黃忠海,廖 耘,王遠利,等.某復(fù)雜超高層結(jié)構(gòu)罕遇地震彈塑性時程分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2011,41(3):40-44．

[8] 黃鵬云,楊 鵬,陳杰平,等.柱頂隔震結(jié)構(gòu)首層柱子設(shè)計及動力彈塑性分析[J].水利與建筑工程學(xué)報,2015,13(3):95-99.

[9] 呂西林,朱杰江,劉 捷.上海環(huán)球金融中心結(jié)構(gòu)簡化彈塑性時程分析及試驗驗證[J].地震工程與工程振動,2005,25(2):34-42．

[10] 朱杰江,呂西林.上海環(huán)球金融中心大廈彈塑性時程分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2006,15(2):49-56.

[11] 符芮三.ABAQUS與PERFORM-3D在彈塑性時程分析中的應(yīng)用及對比研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2014:23-32．

[12] 郝效強，李楚舒，李 立.PERFORM-3D在結(jié)構(gòu)抗震性能分析與評估中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，2012,42(S2)：202-206．

[13] 鄭 竹，沈 偉，馬臣杰. Perform-3D在某超高層結(jié)構(gòu)彈塑性分析中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2011,40(4)：41-44．

[14] 周 斌,王啟文,楊旺華.ETABS與PERFORM-3D彈塑性模型轉(zhuǎn)換及分析應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),2013,43(S1)：1166-1170．

[15] 李 杰，李國強.地震工程學(xué)導(dǎo)論[M].北京：地震出版社，1992:35-38．

Seismic Analysis and Design of Complicated High-rise Building Structure

MA Anzhen

(ChinaRailwayLiuyuanGroupCo.,Ltd.，Tianjin300308,China)

Large number of complicated high-rise buildings appear recently, which pose new challenges to structural design especially for seismic design. To analyze the seismic performance of complicated high-rise building, a 32-story concrete frame and concrete core structure is analyzed using elastic-plastic time-history analysis method under frequent and rare earthquake ground motions. In the analysis, five ground motion records are chosen. A seismic analysis process based on three finite element software ETABS, SAP2000 and PERFORM-3D respectively is carried out, in which strengths of all the three softwares are fully used. The influence of spectral properties of seismic ground motion on structural response is analyzed by comparing structural responses under different ground motions. It reveals that the complicated high-rise building shows large difference in response under different seismic ground motions which have same peak value.Analysis results based on this process can either reflect the seismic performance of structure or greatly improve calculating efficiency.

complicated high-rise building; anti-seismic; elastic-plastic time-history analysis; structural design; PERFORM-3D

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.038

2016-12-22

2017-02-28

馬安震(1991—)，男，寧夏彭陽人，碩士，助理工程師，主要從事工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。E-mail: 562426357@qq.com

TU313

A

1672—1144(2017)02—0199—06