某鋼框架-混凝土核心筒結構彈塑性時程分析探討

薛 梅 張 騰

(航天建筑設計研究院有限公司，北京 100071)

1 工程概況

該辦公樓為型鋼混凝土框架-混凝土核心筒結構，其中外框架由鋼骨混凝土柱、鋼梁組成，核心筒由鋼筋混凝土剪力墻組成。地上30層主體+2層出屋面塔樓，建筑地上總高度125m，平面基本尺寸為48m*48m，首層5.0m，其它層高均為4.0m。核心筒內采用鋼筋混凝土樓板，核心筒與外框架之間采用壓型鋼板組合樓板。典型平面見圖1。

項目所在地抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度0.2g。

外框架區域荷載取值為：恒載4.5kN/m2（包括樓板自重），活載3.5kN/m2；核心筒區域荷載取值為：恒載5.0kN/m2（包括樓板自重），活載 5.0kN/ m2。外幕墻取恒載1.5 kN/m。

圖1 標準層平面布置圖

根據我國《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）和《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）的規定，對本工程進行了罕遇地震（大震）作用下的彈塑性變形驗算，其最終目標在于：

1、研究結構在大震作用下的基底剪力、剪重比、層間位移角是否滿足現行規范的要求，評價結構在大震作用下的抗震性能，確定結構是否滿足“大震不倒”的設防水準要求；

2、檢驗核心筒內墻肢、連梁的損傷情況；

3、檢驗型鋼混凝土柱及型鋼鋼骨的受力情況；

4、根據以上分析結果，與基于性能的目標進行比較，以指導結構設計。

本辦公樓采用三維結構非線性分析與性能評估軟件ABAQUS對結構進行彈塑性時程分析[1]，以評價結構在罕遇地震作用下的彈塑性行為。

2 動力彈塑性時程反應分析的參數選取

2.1 分析方法

本例中使用的動力彈塑性分析方法采用直接模擬結構在水平地震作用下的非線性反應，分析中主要考慮了幾何非線性和材料非線性。

2.2 材料模型

采用混凝土彈塑性損傷模型[2]，當荷載從受拉變為受壓時，混凝土材料的裂縫緩慢閉合，軸向剛度由原來的抗拉剛度恢復至原有的抗壓剛度；當荷載從受壓變為受拉時，混凝土材料的抗拉剛度不恢復，如圖2～圖4所示[3][4]。鋼材材料采用考慮包辛格效應的雙線性隨動硬化模型，此模型在循環過程中不考慮剛度退化，如圖5所示。

圖2 混凝土受壓應力應變本構關系

圖3 混凝土受拉應力應變本構關系

圖4 混凝土拉壓往復時剛度恢復示意圖

圖5 鋼材本構關系

2.3 單元選取

根據結構構件的受力及彈塑性行為，主要選用的單元有：

（1）核心筒剪力墻、連梁采用四邊形或三角形縮減積分SR4殼單元。

（2）框架柱、框架梁等構件纖維截面模型B31梁單元。

2.4 模型校核

為保證ABAQUS模型的正確性，采用ETABS、ABAQUS兩種軟件進行對比。兩種軟件所建模型的重力荷載代表值和動力特性基本一致，證明了ABAQUS模型的正確性。

2.5 地震動參數與地震波信息

由于篇幅有限，本文列出了兩條天然地震波（L725、L787）的分析數據，考慮了每組地震波的兩向分量，即各向地震分量沿結構抗側力體系的水平向（X、Y向）分別輸入。水平X向、水平Y向的加速度峰值按照抗震規范1：0.85的比例系數進行調整。

2.6 檢驗指標

（1）罕遇地震下，結構層間位移角滿足不大于1/100的要求。

（2）型鋼梁允許的塑性轉角（參照ASCE41 Table5-6）

θy，E為彈模，F為屈服強度，l為梁長度，Z為塑性截面模量，Ib為慣性矩，bf為翼緣寬度，tf為翼緣厚度，tw為腹板厚度，h為腹板高度。

（3）剪力墻連梁塑性鉸允許范圍（參照ASCE41 Table6-7）

允許的塑性轉角V bdimages/BZ_282_356_1340_430_1392.png IO LS CP/( )w≤3 0.010 0.02 0.025≥6 0.005 0.01 0.02其余情況 線性插值

V為剪力，bw為截面有效寬度，d為截面有效高度，fc’為混凝土抗壓強度設計值。

3 結構動力反應分析結果

選用每個樓層角部框架柱處對應的樓層位移角，以各角點處層間位移角最大值作為此層的層間位移角。根據不同地震波對應的結構層間位移角隨樓層變化曲線，結構在X方向的最大層間位移角分別為1/86（第21層）、1/72（第3層）。

4 構件抗震性能評價

1）核心筒墻肢混凝土受壓塑形損傷因子均小于 0.2，說明基本上處于彈性狀態。

2）大震下大部分連梁受壓損傷因子介于0.6～0.9之間，受拉損傷因子大于0.8，說明進入塑性形成塑性鉸。應該采取嚴格的縱筋錨固和箍筋加密，或者增設部分鋼骨暗梁和暗撐，保證連梁在大震作用下能耗散大部分的地震能量。

3）框架柱混凝土受壓大部分處于彈性，但在少數樓層的混凝土極限總應變達到 0.235，大于混凝土極限壓應變，出現壓酥現象。框架柱內鋼骨最大應力為256MPa，小于屈服應力300MPa。

4）鋼框架梁大部分構件仍然處于彈性，底部部分樓層的框架梁進入塑性，構件最大塑性應變為0.00232，遠小于鋼材極限應變。

5 結論

根據罕遇地震作用下動力彈塑性時程反應分析，對結構的抗震性能作如下綜合評價：

1）結構的最大層間位移角不滿足規范關于彈塑性位移1/100的限值要求，需要采取措施增大整個結構的抗側剛度。

2）構件的抗震性能除個別需要采取嚴格的抗震構造措施，其他都滿足大震下的抗震要求。