豎向不規(guī)則型鋼混凝土框筒結(jié)構(gòu)有限元分析

鄭 驥 顧曉宇

0 引言

豎向不規(guī)則是高層建筑中常見的現(xiàn)象，其主要表現(xiàn)形式有結(jié)構(gòu)上部的收進和帶裙房的結(jié)構(gòu)在裙房頂?shù)氖者M。研究表明，結(jié)構(gòu)收進會造成豎向剛度不連續(xù)，在收進處結(jié)構(gòu)的層間位移會有突變，豎向構(gòu)件的內(nèi)力也會明顯增大，對結(jié)構(gòu)抗震不利，且體型收進會加劇上部結(jié)構(gòu)的高階振型影響，造成頂層結(jié)構(gòu)內(nèi)力加大。根據(jù)日本阪神地震的相關(guān)資料，許多體型收進結(jié)構(gòu)在此次地震中發(fā)生了嚴重的破壞［1，2］。對體型收進結(jié)構(gòu)進行的靜力彈塑性分析也表明，結(jié)構(gòu)最大層間位移角易發(fā)生在體型收進處，成為整體結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位［3］。

本文針對某型鋼混凝土框架—核心筒超高層結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，評估了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能并分析了可能出現(xiàn)的薄弱部位，揭示了此類結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力性能和反應(yīng)特點，并提出了改善結(jié)構(gòu)抗震性能的建議。

1 結(jié)構(gòu)特點

該超高層結(jié)構(gòu)共58層，包含設(shè)備避難層、裙房和地下室，結(jié)構(gòu)總高為245 m。結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力體系為型鋼混凝土框架和鋼筋混凝土核心筒，結(jié)構(gòu)標準層的平面尺寸在32層突然收縮近一半，其中核心筒寬度減少63%。

為了保證荷載能夠在收進處順利傳遞，在收進部位的下部樓層設(shè)置了連接框架柱和核心筒的鋼斜撐。另外，在結(jié)構(gòu)46層設(shè)置了環(huán)桁架作為加強層。根據(jù)我國JGJ 3-2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［4］的規(guī)定，該建筑高度超過了型鋼混凝土—鋼筋混凝土筒體最大高度190 m的限值，為豎向和平面均為特別不規(guī)則的復(fù)雜高層建筑。

2 結(jié)構(gòu)動力分析

結(jié)構(gòu)的計算分析采用ANSYS軟件，分析時主要采用了兩種單元類型，一種是Beam188單元，用來模擬型鋼混凝土柱、桁架、樓面梁等構(gòu)件;另一種是Shell143單元，用來模擬剪力墻、連梁和樓板。計算模型包括地面以上結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為2.69×105t(結(jié)構(gòu)恒載+0.5×活荷載)。

2.1 結(jié)構(gòu)動力特性

模態(tài)分析總共計算了前30階模態(tài)，使結(jié)構(gòu)各方向質(zhì)量參與系數(shù)達90%以上。結(jié)構(gòu)第一自振周期為3.6 s，X向平動，第二周期為3.4 s，Y向平動，第三周期為2.4 s，扭轉(zhuǎn)振動。周期比分別為0.54和0.66，均小于JGJ 3-2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定的限值0.85。

2.2 結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)

彈性時程分析選用了EI-Centro波、Pasadena波和上海人工2波。其中，EI-Centro地震波采用三向輸入，三個方向地震動加速度幅值之比取為1∶0.85∶0.65;Pasadena地震波采用雙向輸入，兩個方向地震動加速度幅值之比取為1∶0.85;上海人工2波采用單向輸入。輸入的最大加速度峰值按GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范［5］均取為35 cm/s2，并取Y方向為主方向。分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)豎向收進處及以上部位的層間位移角突然增大，而在加強層處突然減小，層間位移曲線表現(xiàn)出明顯的彎曲型。結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)曲線和層間位移角曲線如圖1，圖2所示，結(jié)構(gòu)最大層間位移角發(fā)生在結(jié)構(gòu)上部，其值小于JGJ 3-2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定1/500的限值。

2.3 結(jié)構(gòu)抗震性能評估

為了分析結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，對結(jié)構(gòu)在X向和Y向分別施加了側(cè)向分布荷載進行了Pushover分析，選取的水平力為倒三角分布和彈性反應(yīng)譜多振型組合分布。結(jié)果表明兩種方法下結(jié)構(gòu)的基底剪力頂點位移曲線較接近，下面的計算分析將僅針對倒三角分布模式推覆分析結(jié)果進行討論。

在對結(jié)構(gòu)進行推覆分析的基礎(chǔ)上，采用改進能力譜方法對原型結(jié)構(gòu)的抗震能力進行評價。分別構(gòu)造μ=1，1.5，2時的非彈性需求譜曲線Sa—Sd，7度罕遇地震作用下的最大加速度影響系數(shù)αmax=0.50g，場地特征周期 Tg=0.44 s，結(jié)構(gòu)的阻尼比 ζ=0.05。同時將兩種側(cè)向荷載分布下的結(jié)構(gòu)能力曲線轉(zhuǎn)換成Sa—Sd格式的能力譜曲線，將能力譜曲線和需求譜曲線繪制在一起，通過測量能力譜曲線和不同延性的需求譜曲線的交點坐標，可以得到等效單自由度體系在不同延性需求下的頂點目標位移。在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)在X向倒三角形分布荷載下對應(yīng)于延性系數(shù)μ分別為1，1.5和2的需求譜，結(jié)構(gòu)頂點目標位移分別為85.2 cm，52.3 cm和38.6 cm。結(jié)構(gòu)在Y向倒三角形分布荷載下對應(yīng)于延性系數(shù)μ分別為1，1.5和2的需求譜，結(jié)構(gòu)頂點目標位移分別為75.8 cm，43.6 cm和23.6 cm。說明結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，且結(jié)構(gòu)Y向剛度大于X向剛度。

為了分析核心筒體在水平作用力下的彈塑性力學(xué)性能，選取了在頂點位移角為1/500，1/100兩個狀態(tài)來考察核心筒體的整體和底部、收進處以及加強層部位的豎向應(yīng)力分布及發(fā)展變化情況，計算分析結(jié)果表明底部核心筒角部的壓應(yīng)力明顯高于其他部位，結(jié)構(gòu)立面收進處的核心筒體的翼緣墻體局部出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力分布。

3 結(jié)語

通過ANSYS有限元計算分析了豎向不規(guī)則型鋼混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)的動力特性和在多遇地震作用下的動力反應(yīng)，并通過Pushover分析評價了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，結(jié)果表明豎向收進處由于剛度的突變成為整個結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)改善結(jié)構(gòu)此處及相鄰樓層的延性。

［1］徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［2］肖從真，徐培福，王翠坤.體型收進對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的影響［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2003(33):12-15.

［3］徐自國，肖從真，李 勇，等.北京當(dāng)代MOMA結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計及靜力彈塑性分析［J］.土木工程學(xué)報，2008(41):58-64.

［4］JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［5］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.