方鋼管混凝土框架-鋼板剪力墻核心筒結(jié)構(gòu)彈塑性分析

張淑云，李卓宇

（西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

1 典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模

在工程中，為便于鋼板墻的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，常使用簡化的拉桿模型。拉桿條模型是目前應(yīng)用最廣泛的簡化模型之一[1]。基于簡化的鋼板墻模型，設(shè)計(jì)15層方鋼管混凝框架鋼板剪力墻核心筒結(jié)構(gòu)的典型算例。該結(jié)構(gòu)所處地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為8度，0.2g，II類場地，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，混凝土等級為C30，鋼材等級Q235。結(jié)構(gòu)總高度46.2m，層高3.3m。結(jié)構(gòu)的平面尺寸33.68m×33.68m，樓板厚度100mm，結(jié)構(gòu)平面圖和核心筒部位豎向布置圖見圖 1、圖2。采用SAP2000分析軟件建立結(jié)構(gòu)的非線性分析模型。混凝土和鋼材分別選用C30和Q235。其中，梁柱采用桿單元，樓板采用殼單元建立[2]。對于梁一般指定主方向上的0.1和0.9倍桿件長度的彎矩鉸和剪力鉸；對于柱一般在0.1和0.9倍桿件長度處定義PMM鉸；對于拉桿分別在0.1、0.5、0.9倍桿件長度處定義軸力鉸[3]。定義結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件的塑性鉸參數(shù)。則整體結(jié)構(gòu)的三維有限元分析模型見圖3。

圖1 結(jié)構(gòu)平面圖

圖2 結(jié)構(gòu)立面圖

圖3 有限元模型

2 動力彈塑性分析

選擇一典型的Elcentral波，加速度時程波形圖如圖4所示[4]，按一定的比例調(diào)幅得到不同設(shè)防烈度下的地震動強(qiáng)度，加速度參數(shù)見表1。對結(jié)構(gòu)施加雙向的不同強(qiáng)度下地震波，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力彈塑性分析[5]。可以得到結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移時程曲線、基底剪力時程曲線、最大層間位移曲線、最大基底剪力曲線。

圖4 加速度時程波形圖

地震動加速度參數(shù) 表1

2.1 頂點(diǎn)位移時程曲線，基底剪力時程曲線

得到在8度多遇，設(shè)防，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)在X方向上的頂點(diǎn)位移時程曲線，見圖5、圖6、圖7。由圖可知隨著地震波的輸入，結(jié)構(gòu)的位移在不同地震波強(qiáng)度下具有不同的頂點(diǎn)位移，并且差異明顯。在8度多遇下，頂點(diǎn)位移最大為25mm。在8度設(shè)防下，頂點(diǎn)位移最大為75mm。在8度罕遇下，頂點(diǎn)最大位移為150mm。雖然在不同的地震強(qiáng)度作用下結(jié)構(gòu)的位移不同，但是頂點(diǎn)位移時程曲線形狀大致相同。

得到在8度多遇，設(shè)防，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)在X方向上的基底剪力時程曲線，見圖8、圖9、圖10。由圖可知，在雙向地震作用下結(jié)構(gòu)的基底剪力隨著強(qiáng)度的增加而增加。多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的最大基底剪力為2500kN，設(shè)防地震作用下最大基底剪力為7500kN，罕遇地震作用下最大基底剪力為15000kN。從整體來看結(jié)構(gòu)的基底剪力時程曲線在不同強(qiáng)度下曲線形狀相同。

2.2 最大層間位移，最大層間剪力曲線

圖5 多遇X方向

圖6 設(shè)防X方向

圖7 罕遇X方向

圖8 多遇X方向

圖9 設(shè)防X方向

圖10 罕遇X方向

得到在8度多遇，設(shè)防，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)在X方向上的最大層間位移曲線和最大層間剪力曲線，分別見圖11、圖12。由最大層間位移曲線可知在不同地震強(qiáng)度下，在頂層的層間位移最大，底部的層間位移最小。從曲線的斜率中可知，多遇地震作用下最大層間位移變化最慢，罕遇地震作用下最大層間位移最快。曲線整體呈直線變化，沒有發(fā)生明顯的突變。這也表明結(jié)構(gòu)剛度分布均勻，在強(qiáng)地震作用下結(jié)構(gòu)的抵抗變形能力較強(qiáng)。由最大層間剪力曲線圖可知，結(jié)構(gòu)的最大層間剪力均發(fā)生在結(jié)構(gòu)底部，罕遇地震作用下，最大層間剪力為14000kN，這表明結(jié)構(gòu)具有較高的水平承載力，最小的層間剪力發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂層。多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的最大層間剪力分布均勻，沒有明顯的突變。設(shè)防和罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)在2～10層之間層間剪力均勻變化，但在2層和10層處最大層間剪力發(fā)生了明顯的突變，10層處最大層間剪力較大，在10層之后的最大層間剪力分布變化較快，迅速減小。

圖11 最大層間位移曲線

圖12 最大層間剪力曲線

2.3 不同地震作用下能量分析

結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析計(jì)算獲得的結(jié)構(gòu)能量輸入時程，隨著地震波的不斷輸入，輸入能量不斷增加，在計(jì)算終止時刻達(dá)到峰值并趨于平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)的動能在計(jì)算終止時趨近于零，結(jié)構(gòu)的塑性變形引起的耗能不斷增加后趨于平穩(wěn)。在小震作用下，如圖13。圖13結(jié)構(gòu)能量分布見結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)阻尼耗能較小，勢能較大。如圖14所示，在中震作用下，結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)阻尼耗能增大，勢能減小。如圖15所示，在大震作用下，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的阻尼耗能最大，勢能最小。

圖15 罕遇地震下能量分布

3 結(jié)論

文章基于簡化的鋼板剪力墻模型，介紹了一典型的組合框架-剪力墻核心筒結(jié)構(gòu)的建模過程，并對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了8度多遇、設(shè)防、罕遇地震作用下的動力彈塑性分析。得到了頂點(diǎn)位移時程曲線、基底剪力時程曲線、最大層間位移曲線、最大層間剪力曲線。通過對曲線的分析，得到了結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)規(guī)律。

①不同地震強(qiáng)度下的，在頂層的層間位移最大，底部的層間位移最小。結(jié)構(gòu)剛度分布均勻，在強(qiáng)地震作用下結(jié)構(gòu)的抵抗變形能力較強(qiáng)。

②結(jié)構(gòu)的最大層間剪力均發(fā)生在結(jié)構(gòu)底部，最小的層間剪力發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂層。設(shè)防和罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)在在2～10層之間層間剪力均勻變化，但在2層和10層處最大層間剪力發(fā)生了明顯的突變。需要在突變處對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。