大連星海灣金融商務區XH-17、XH17-2地塊超高層結構彈塑性動力時程分析

文/謝雷 大連都市發展設計有限公司 遼寧大連 116011

大連星海灣金融商務區XH-17、XH17-2地塊超高層結構彈塑性動力時程分析

文/謝雷 大連都市發展設計有限公司 遼寧大連 116011

采用PERFORM-3D分析軟件選取一組人工波，兩組天然波對一超高層結構進行罕遇地震作用下的動力彈塑性分析，從而預測出整體結構在罕遇地震作用下的變形性能和破壞情況，對不滿足結構抗震性能目標的薄弱位置通過設置型鋼和增加配筋的方式增加薄弱豎向構件的承載力和延性，保證結構在罕遇地震作用下結構的安全性。

超高層結構;罕遇地震;彈塑性分析

1 工程概況

大連星海灣金融商務區超高層項目地上49層，結構高度為195.7m。地上1～3層層高分別為6m、5.4m、5.4m，4～49層標準層層高3.8m。

該工程抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度為0.1g，50年重現期基本風壓為0.65Kpa，地面粗糙度為B類。

2 結構體系

該工程結構形式為鋼筋混凝土框架-核心筒結構。平面尺寸為43.6mx35.7m，標準層外圈梁高統一為750mm，內部主梁梁高650mm，次梁600mm，外圈墻厚為900～500mm，內部墻厚為300～200mm。

3 超限分析

本工程為鋼筋混凝土框架-核心筒結構，高度超過《高層建筑混凝土結構技術規程》[1]中框架-核心筒結構B級高度的最大適用高度180m，屬于超B級高層。

平面形狀為長方形，最大扭轉位移比為1.24，樓板一層不連續，偏心率大于15%，屬平面扭轉不規則結構。

本工程一層有4根穿層柱，屬豎向不規則結構。

4 彈塑性分析軟件介紹

PERFORM-3D三維結構非線性分析與性能評估軟件，是一個用于抗震設計的非線性計算軟件。通過基于變形或強度的限制狀態對復雜結構進行非線性分析。PERFORM-3D是以結構工程概念為基礎，根據美國現行規范進行基于性能的抗震設計與評估。

5 混凝土本構關系

本文采用的混凝土本構模型是《混凝土結構設計規范》[2]附錄C中混凝土多軸強度和本構關系中的單軸應力應變關系。PERFORM-3D采用的五折線混凝土本構關系曲線。

6 鋼材模型

鋼筋本構模型：骨架曲線采用二折線本構模型。

7 單元模型理論

本結構模型采用纖維梁柱單元及剪力墻單元。

（1）梁、柱纖維截面

普通混凝土梁（連梁）構件采用兩端為彎矩塑性鉸，中間為彈性桿系的模型來模擬梁的非線性行為。鋼筋混凝土梁的屈服狀態確定以邊緣鋼筋的應變達到時為標志，其破壞狀態以混凝土應變達到混凝土的極限應變時為標志。

柱采用塑性區彈性桿系拼接形成單元。本結構柱采用二維纖維單元模擬，程序通過材料的本構關系自動確定截面的塑性。

（2）纖維剪力墻單元

PERFORM-3D的剪力墻單元是四節點單元，剪力墻的纖維截面為一維纖維截面。剪力墻平面外抗彎、平面外抗剪、抗扭等本構屬于彈簧本構。如果剪力墻與相鄰的梁的連接為剛性連接，需要建立內置剛臂連接。

8 地震作用與地震波選取

輸入的地震加速度時程曲線分別采用了人工加速度時程曲線xxtd（超越概率 2%）、實際地震記錄天然波A10、A18波。時程分析時主分量峰值加速度取220 cm/s2。

9 結構大震性能目標選取

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》中3.11節的規定，結構抗震性能目標基本滿足C目標，大震下結構抗震性能水準基本滿足水準4。

10 彈塑性分析模型

a)分析設置

彈塑性時程分析前先進行重力荷載分析。彈塑性時程分析步長為0.02s。結構采用瑞利阻尼，第一周期取0.9T1，第二周期取0.2T1。結構阻尼比取0.05。

b) 結構整體反應結果

時程分析時，采用雙向地震波的輸入，峰值加速度在主次方向的比值均為1:0.85，分析所得位移角結果為：人工波X方向1/228，Y方向1/222；A10波X方向1/282，Y方向1/224；A18波X方向1/241，Y方向1/249。

基底剪力結果為：人工波X方向50950KN，Y方向67221KN；A10波X方向53883KN，Y方向65337KN；A18波X方向51242KN，Y方向62711KN。與CQC小震規范基底剪力之比分別為：人工波X方向3.9，Y方向4.9；A10波X方向4.1，Y方向4.7；A18波X方向3.9，Y方向4.5。

分析結果表明，X、Y方向均進入了彈塑性階段，X方向進入塑性程度較Y方向略大，相應的非線性耗能增大。

c）構件抗震性能評估

罕遇地震下大部分梁構件進入較強的彈塑性階段，僅局部墻及柱構件鋼筋進入屈服狀態，沒有豎向構件進入極限狀態，基本滿足罕遇地震作用下水準4的性能目標。

d）關鍵構件彈塑性受剪截面驗算

采用PERFORM 3D進行罕遇地震作用彈塑性時程分析，將底層剪力墻的最大剪力與規范規定的受剪承載力進行比較。主要墻肢受剪承載力均滿足規范要求。

11 結論

結合性能分析軟件PERFORM-3D，對結構進行三維彈塑性分析。分析結果說明：

（1）建筑結構體系在罕遇地震作用下整體變形為1/222，小于1/100，滿足規范要求；

（2）根據塑性鉸發展情況，大量的連梁及框架梁進入屈服狀態，局部框架柱進入屈服狀態。結構整體非線性能量耗散主要由框架梁及連梁承擔；

（3）進入屈服的梁并未達到極限變形狀態，主要豎向構件（墻、柱）的混凝土受壓均低于屈服狀態，鋼筋大多低于屈服狀態，局部部位鋼筋進入屈服狀態；

（4）經驗算，主要鋼筋混凝土豎向構件，其截面抗剪承載力滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》公式3.11.3-4的要求；

（5）罕遇地震時程分析得到相對準確的結構動力特性，底部墻肢局部拉應力較大、頂部框架柱及裙房在主樓相關范圍內框架柱拉應力較大，通過設置型鋼或增加配筋等措施增加較薄弱豎向構件的承載力及延性，可以滿足大震不屈服的性能目標。

可以得出結論，結構整體能夠基本滿足罕遇地震作用下結構抗震性能水準4的要求。

[1] 高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2012）

[2]《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）