某超限高層建筑結構動力彈塑性分析研究

李建榮 高 群 孫業華

(中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌 330031)

某超限高層建筑結構動力彈塑性分析研究

李建榮 高 群 孫業華

(中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌 330031)

對某超限高層建筑在罕遇地震下結構動力彈塑性響應特性進行了分析，研究了結構在大震下關鍵部位構件塑性發展情況及破壞特征，評估了在大震下結構的抗震安全性能，對工程抗震設計提出了合理化建議。

超限高層建筑，動力彈塑性，抗震設計

1 工程概況

某工程位于南昌市，由一棟58層超高層辦公樓、一棟25層高層辦公樓以及4層商業廣場組成(見圖1)；其中，超高層辦公樓屋面標高為249.7 m，檐口高度為271.9 m，平面尺寸為43.8 m×43.8 m，結構采用框架—核心筒結構體系，屬超B級高度高層建筑，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》[1]第3.11.4條：高度超過200 m時，應采用彈塑性時程分析方法進行計算。本工程超限情況：1)房屋高度超B級高度超高18.9%，屬于超B級高度的高層建筑；2)結構Y方向上部樓層收進后的水平尺寸小于下部樓層水平尺寸的75%，屬豎向不規則。

2 彈塑性時程分析

2.1 計算模型

本工程采用Midas Building 2013軟件進行彈塑性動力時程分析計算，結構模型考慮了幾何非線性、材料非線性等，考察結構在大震下的塑性變形能力和耗能能力。

1)材料本構關系[2]。混凝土本構關系采用《混凝土結構設計規范》[3]附錄C中的單軸受壓應力—應變本構模型；鋼筋本構關系采用雙折線本構模型;剪切本構關系采用三折線模型。

2)滯回模型[2]。混凝土框架柱、梁使用具有非線性鉸特性的梁柱單元，滯回模型采用集中鉸模型，梁鉸采用修正武田三折線模型，柱鉸采用隨動硬化三折線模型；非線性混凝土剪力墻單元采用纖維模型。

2.2 計算方法

對于結構非線性運動方程采用Newmark-β直接積分方法，數值計算運用完全牛頓—拉普森法(Newtom-Raphson)進行迭代收斂計算直至滿足收斂條件，考慮P—Δ效應的影響，采用瑞利阻尼計算結構的阻尼比。

2.3 地震波的選擇

本工程抗震設防烈度6度，Ⅱ類場地，設計地震第一組，地震安全性評價報告給出大震下特征周期Tg=0.45 s，罕遇地震下選取了3條地震波(由安評報告及某地震波專業公司提供。其中有2條天然波L0523,L0640，1條人工波L645-2)，地震波時間間距0.02 s，輸入地震波峰值加速度最大值為125 cm/s2，結構初始阻尼比取0.05；地震波加速度反應譜曲線與抗震規范反應譜比較見圖2(限于篇幅僅給出L0523的情況)。

3 彈塑性時程結果損傷分析及性能評價

3.1 彈塑性結果整體評價

結構在大震地震波(L0523較為不利狀態)作用下，在X,Y兩個方向上結構彈塑性最大層間位移角分別為1/318,1/315；均滿足規范規定的結構薄弱層彈塑性層間位移角限值均小于1/100的規定。在初始荷載的作用下，外框架柱、框架梁及核心筒剪力墻均處于彈性狀態；在大震地震波作用下，大部分外圍框架柱、梁基本上保持不屈服狀態，部分框架柱鉸、框架梁鉸進入壓彎開裂而不屈服狀態，屬輕微塑性變形，少部分的豎向收進部位框架梁進入屈服及屈服后狀態；底部加強區核心筒外圍剪力墻均處于不屈服狀態。說明該結構可以滿足“大震不倒”的抗震設防目標。

3.2 結構的損傷破壞情況及性能評價

下面以較不利情況(天然波L0523作用下)為例，對構件性能進行評價。

1)框架塑性鉸狀態。框架柱塑性鉸隨著地震波時間的增長，其塑性鉸由頂部向下部發展情況越來越明顯。圖3給出了外框架柱在地震波作用下發生最大層間位移角時刻(X向)塑性鉸的發展情況，總體上約51%的框架柱鉸進入壓彎開裂而不屈服狀態，屬輕微塑性變形，未見有框架柱達到屈服狀態；圖4給出了框架梁在發生最大層間位移角時刻(Y向)塑性鉸的發展情況，大部分的框架梁鉸進入開裂而不屈服狀態；僅中上部豎向收進處約4.6%的框架梁進入屈服或屈服后狀態，未見有框架梁達到極限狀態。

2)核心筒剪力墻損傷狀態。由圖5可以看出核心筒剪力墻在地震波作用下發生最大層間位移角時刻混凝土剪切應變損傷情況：大部分剪力墻剪切應變處于不屈服狀態；僅約2.1%墻肢達到屈服及屈服后狀態，約0.3%剪力墻混凝土剪切應變達到極限剪切破壞狀態，該部分主要集中在中上部樓層與連梁相互作用比較明顯的墻肢邊緣、局部剛度突變和應力集中等原因引起，整個核心筒剪力墻中的鋼筋未出現屈服；核心筒連梁僅約20%連梁混凝土剪切應變達到極限剪切破壞狀態，整個核心筒連梁中的鋼筋約0.3%出現屈服，其他均處于彈性狀態。說明連梁在大震下起到了“保險絲”的作用，先于墻肢破壞而后進入耗能階段，可認為大震下核心筒整體性能良好。

4 結語

通過對本超限高層框架—核心筒結構在罕遇地震作用下彈塑性時程分析，可以得出如下結論：1)在罕遇地震下結構彈塑性最大層間位移角均小于1/100，滿足規范規定的結構薄弱層彈塑性層間位移角限值規定，滿足“大震不倒”的抗震設防目標。結構連梁首先出現剪切破壞，結構整體剛度開始減弱，結構進入耗能階段；隨著結構損傷不斷累積，部分框架也出現輕微的塑性而進入耗能階段，核心筒外圍剪力墻基本處于不屈服階段，僅核心筒內分隔墻局部進入塑性；說明結構滿足有多道抗震防線的設計要求。2)通過對框架梁柱出鉸順序及剪力墻損傷狀態分析，可以對結構薄弱位置提出合理的加強措施：a.為提高外框架柱抗震承載能力的延性，地下2層～地上16層采用了型鋼混凝土柱；b.在豎向收進層處，提高相鄰上下層剪力墻的邊緣構件的配筋率和水平、豎向分布筋的配筋率。

[1] JGJ 3-2010，高層建筑混凝土技術規程[S].

[2] 北京邁達斯技術有限公司.結構大師非線性分析技術手冊[Z].2013.

[3] GB 50010-2010,混凝土結構設計規范[S].

Research on dynamic elastic-plastic analysis of the overrun high-rise building

LI Jian-rong GAO Qun SUN Ye-hua

(China Ruilin Engineering Technology Co., Ltd, Nanchang 330031, China)

The paper analyzes dynamic elastic-plastic response of the overrun high-rise building under rare earthquake, studies plastic developing conditions and damage features of critical structural parts, evaluation of the seismic safety performance of the structure under large earthquake, and finally puts forward rational seismic design suggestions.

overrun high-rise building, dynamic elastic-plastic analysis, seismic design

1009-6825(2014)36-0029-02

2014-10-12

李建榮(1972- )，男，高級工程師,國家一級注冊結構工程師； 高 群(1968- )，女，工程師； 孫業華(1980- )，男，碩士，高級工程師，國家一級注冊結構工程師

TU313

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