雙向速度脈沖地震下偏心重力柱-核心筒結構的彈塑性地震響應研究

補國斌, 徐 沖, 賓 佳, 熊浩然, 齊超文, 王 穎

(湖南工業大學 土木工程學院, 湖南 株洲 412007)

0 引言

近年來,不規則建筑結構體系得到了快速的發展,偏心建筑形式也成為建筑發展的趨勢之一。針對偏心結構體系,專家和學者對其在抗震能力和應用方面進行了廣泛的研究。Bu等[1]對框架結構在強震和偏心雙重不利條件下進行了地震易損性分析;夏玲濤等[2]以結構雙向偏心對結構實用抗震設計與計算方法進行了深入研究;補國斌[3]以框架結構為例,對其在偏心不利條件下展開了抗震性能和設計方法的研究。隨著經濟的不斷發展,新型結構體系成為城市發展的趨勢之一。創新提出并研究新型結構體系的抗震性能,并完善相關的結構設計理論,對促進我國高層建筑結構的快速發展有舉足輕重的意義。周靖等[4-5]創新性地提出了一種適用于建筑工業化的新型重力柱-核心筒結構體系,把傳統的節點連接方式由剛接改為鉸接,并完成了其在多種不同水準地震作用工況下的振動臺試驗研究。張鴻森[6]對全鉸接混凝土核心筒結構進行了抗震性能研究,并針對實際工程實例進行了縮尺振動臺模擬試驗。但專家和學者在對該新型結構體系進行系統性抗震性能研究時尚未考慮結構不規則因素。

歷次震害表明,近斷層速度脈沖地震作用對各類工程結構的地震響應產生顯著的影響,更容易導致建筑物發生倒塌或破壞[7]。因此,國內外學者對該類地震及其對工程結構的影響進行了一系列的研究,其研究結果表明,建筑結構在脈沖型地震作用工況下的受力和變形等地震需求顯著高于非速度脈沖地震作用下的相應需求值。總之,綜合考慮結構平面和結構豎向不規則效應與脈沖地震動效應對建筑結構體系抗震性能耦合影響的研究工作較為缺乏,特別是針對考慮兩種不利條件下新型結構體系的抗震性能研究工作更為少見[8-9]。

因此,本文以文獻[4]所述的新型重力柱-核心筒結構體系及其在不同地震工況下的試驗數據為原始依據,進行擴展參數化數值模擬與分析,研究新型結構質量偏心(平面不規則)和速度脈沖地震作用雙重不利條件共同作用下新型重力柱-核心筒結構的非線性地震反應規律,以期為近斷層區域新型重力柱-核心筒結構體系的設計提供有益參考。

1 振動臺試驗及其模擬

1.1 重力柱-核心筒結構體系簡介與試驗模型概況

新型重力柱-核心筒結構體系[4]是基于傳統核心筒結構基礎,將外框架柱與內部核心墻體的連梁以及外框架柱之間的連梁兩端連接方式變為螺栓連接,實際中考慮為鉸接(圖1)。這樣,核心筒的彎矩和剪力不傳遞到外框架。核心筒抵抗側移和抵抗扭矩的能力強,外框架則考慮只承受重力荷載。兩者分工明確,且不用糾結于傳統設計方式中框架最小剪力比要求,受力更合理,設計過程更加簡潔[9]。

圖1 螺栓鉸接節點Fig.1 Pinned connection of bolt

文獻[4]以廣西金融大廈的工程案例為原型,對總高度320 m的原型結構進行了適當的簡化,并建立1∶40縮尺試驗模型。試驗模型如圖2(a)所示,高8.253 m，共37層。關于試驗詳情見參考文獻[4]。

1.2 原型結構數值模擬與結果對比

采用CANNY[10]軟件對試驗模型對應的原型結構進行彈塑性地震響應分析。其有限元數值建模如圖2(b)所示。結構各樓層混凝土標號和鋼筋材料型號的具體介紹詳見文獻[10]。采用CANNY軟件中的內置CS4模型(混凝土指數函數模型)和SR4模型(鋼筋四段式模型)分別模擬混凝土和鋼筋的本構關系。其應力-應變行為如圖3所示,具體材料參數設置見文獻[10]。采用纖維模型模擬墻柱的壓(拉)彎耦合受力行為,采用內置的CA7模型模擬構件的抗剪,鋼梁采用桁架二力桿單元考慮軸向拉壓作用。所有參數的取值基于CANNY程序推薦的缺省值。

圖2 試驗模型和數值模型Fig.2 Experimental model and CANNY numerical model

基于CANNY軟件構建原型結構的有限元數值模型并進行數值結果對比與分析驗證。對原型結構在7度小震、中震和大震作用下進行彈性和彈塑性分析,得到其動力時程分析數值模擬結果。

圖3 相關材料本構關系Fig.3 Constitutive relationship of relative materials

采用CANNY程序得到的數值計算結果與通過相似比轉換得到的原型試驗數據的對比如圖4所示。由圖可知,數值計算和試驗結果基本接近,兩條曲線的吻合度較高。因此,可以采用相同的材料和模型參數設置,進行后續的擴展化數值模擬分析。

圖4 位移時程比較Fig.4 Comparison between displacement time history

2 結構模型、地震動輸入與分析方法

2.1 偏心結構模型

以1.1節振動臺試驗對應的原型結構為基礎,采用YJK軟件[11]分別設計不同層高的典型新型結構模型(20層和30層模型),如圖5所示。其結構平面布置如圖6所示,結構質量偏心的實現方法為:以Y軸為對稱軸通過改變Y軸兩側的質量(減小左邊,增大右邊,保持總質量不變),從而實現結構偏心。本文新型結構涉及的質量偏心僅考慮沿X軸方向。結構質量偏心率的計算公式為:

(1)

式中:em為建筑結構物的質量偏心距;L為結構沿X方向的總長度;mi為第i個節點的集中質量；xi為單個構件(如第i個重力柱或第i片混凝土核心筒墻體)的質量中心距幾何中心的距離。

圖5 YJK模型Fig.5 YJK model

圖6 結構平面布置圖Fig.6 Structural layout plan

相關研究表明,在各類偏心體系中,各個樓層均出現偏心的情況較為不利,但情況過多,無法窮舉,研究者往往選取各層均勻偏心工況。因此,本文亦選取結構各樓層質量均勻偏心體系進行非線性動力時程分析。利用CANNY有限元軟件進行數值模擬,材料選擇和結構參數設置同1.1節。

2.2 地震動輸入與分析方法

震害調查表明,結構在近場(近斷層或近源)速度脈沖型地震動作用下更容易發生破壞。考慮地震作用的隨機性和復雜性,基于太平洋地震工程研究中心(PEER)地震數據庫選取表1所列10條近場速脈沖型地震加速度記錄(原始加速度記錄),編號為O1～O10,以及其相對應的非速度脈沖型地震地面加速度記錄用以進行對比分析,其編號為R1～R10,具體地面運動加速度數據見文獻[12]。速度脈沖地震特性采用Baker定義的PI值進行表征[12],0.85≤PI≤1為脈沖區間,0≤PI≤0.15為非脈沖區間。按建筑抗震設計規范5.1.2條,采用雙向地震動作為激勵進行輸入,輸入的比例為X∶Y=0.85。分析中考慮了4種偏心率,分別為0、0.1、0.2、0.3;2類地震類型(脈沖型與非脈沖型);20條地震加速度記錄;峰值地面加速度考慮0.5g以使結構進入充分的彈塑性反應階段。采用Newmark-Beta法數值分析方法,采用瑞雷阻尼,對應第一、二階阻尼比,均設置為0.05。

表1 10條速度脈沖型地震動記錄

3 數值分析結果與討論

分析結果表明,脈沖工況和非脈沖工況下,10條地震波下得到的結構彈塑性響應規律具有類似性。因此,3.1節以一條脈沖地震波為例進行層間位移角初步分析。3.2～3.4節則以10條地震波的彈塑性分析結果取其平均值對整體結構進行分析。以下各圖中,速度脈沖和非速度脈沖地震波工況分別簡稱為脈沖和非脈沖工況。“e”表示結構的質量偏心率,例如,圖中“e0.2”表示質量偏心率為0.2。

3.1 單條地震波下層間位移角響應規律

圖7表示不同偏心率下20層結構在表1中O8地震工況下各樓層的Y向和X向層間位移角θmax的變化規律。由圖可知,兩個方向的θmax均隨著偏心率增大而增大(曲線呈現出外擴趨勢);偏心率一定時,θmax隨著樓層高度的增大呈現先增后減的趨勢。兩個方向的定性變化規律一致,但從θmax的響應量值看Y方向明顯大于X方向對應值。因此,后續的分析均取用更為不利的Y方向進行對比和分析。

圖7 層間位移角Fig.7 Story drift ratio

3.2 質量偏心和速度脈沖對層間位移角的影響

圖8(a)、(b)分別表示在速度脈沖型和非速度脈沖型地震動作用下,20層和30層結構的最大層間位移角(θmax)隨結構偏心率的變化規律。由圖可知,兩種工況下20層和30層結構的θ均隨著偏心率增大而增大,且速度脈沖工況(實線)下的θmax明顯大于非速度脈沖工況(虛線)。為了更深入地探討結構整體θmax的響應規律,取圖8(a)和(b)各條曲線的最大值進行定量分析,如圖8(c)表示不同偏心率下20層和30層結構θmax的響應規律。脈沖和非脈沖工況下,θmax均隨偏心率增大而增大。脈沖工況下,偏心率為0.3時20層和30層結構的θmax分別增大到無偏心結構對應值的2倍和1.4倍。同時,速度脈沖工況下的θmax明顯大于非速度脈沖工況。當偏心率為0.3時,20層和30層結構在脈沖工況下的θmax達到非脈沖工況的1.7倍和1.6倍。這表明結構偏心和速度脈沖地震效應均會顯著增大結構的位移響應,在新型體系的抗震設計中應引起足夠重視。

圖8 層間位移角變化規律Fig.8 Change law of the story drift ratio

3.3 質量偏心和速度脈沖對層間扭轉角的影響

圖9(a)、(b)表示20層和30層結構在速度脈沖和非速度脈沖工況下層間扭轉角(φmax)隨偏心率的變化規律。由圖可知,兩種工況下20層和30層結構的φmax均隨著偏心率增大而增大,且脈沖工況(實線)下的φmax均大于非脈沖工況(虛線)。為了更深入地探討結構整體φmax的響應規律,取圖9(a)和(b)各條曲線的最大值進行定量分析。圖9(c)表示20層和30層結構隨偏心率的變化結構φmax的響應規律。在速度脈沖和非速度脈沖兩種不同工況下,φmax均隨著偏心率增大而增大。速度脈沖工況下,偏心率為0.3時20層和30層結構的φmax分別增大到無偏心結構對應值的20.6倍和16.9倍。同時,速度脈沖工況下的φmax明顯大于非速度脈沖工況。當偏心率為0.3時,20層和30層結構在脈沖工況下的φmax達到非脈沖工況的1.5倍和1.3倍。這表明結構偏心和速度脈沖地震效應均會顯著增大結構的扭轉效應,在新型體系的抗震設計中應予以重視。

圖9 層間扭轉角變化規律Fig.9 Change law of the inter-story torsion angle

3.4 質量偏心和速度脈沖對層間剪力的影響

圖10(a)、(b)表示20層和30結構在速度脈沖和非速度脈沖工況下,不同偏心率對結構層間剪力(Vmax)的響應規律。由圖10可知,在兩種地震工況下,20層和30層兩種樓層結構的Vmax均隨著偏心率增大而減小,且脈沖工況下的Vmax均大于非脈沖工況。包絡線均有內收趨勢,此規律與文獻[13]類似,原因可能是地震動雙向輸入,當偏心率不斷增大,結構的扭轉效應也隨之增大,與地震動輸入主方向垂直的另一方向分擔了部分剪力,導致主向的Vmax減小。

圖10 層間剪力變化規律Fig.10 Change law of the inter-story shear force

為了更加深入地探討結構整體最大層間剪力Vmax的響應規律,取圖10(a)和(b)各條曲線的最大值進行定量分析。圖10(c)表示20層和30層兩種樓層結構在速度脈沖和非速度脈沖兩種工況下結構Vmax在不同偏心率下的響應規律。脈沖和非脈沖工況下,Vmax均隨偏心率增大而減小。脈沖工況下,偏心率為0.3時20層和30層結構的Vmax分別約減小到無偏心結構對應值的90%和80%。同時,脈沖工況下的Vmax略大于非脈沖工況。當偏心率為0.3時,20層和30層結構在脈沖工況下的Vmax比非脈沖工況對應值約大3%和2%。

4 結語

本文基于振動臺試驗研究基礎,通過對20層和30層新型偏心結構體系在速度脈沖和非速度脈沖地震作用下的對比分析,重點研究結構偏心與脈沖地震耦合效應對結構的層間位移角、層間扭轉角和層間剪力的影響規律,得到以下結論。

(1) 新型重力柱-核心筒結構在速度脈沖和非速度脈沖兩種工況下,隨著偏心率的不斷增大結構θmax和φmax也隨之增大,且速度脈沖工況下的θmax和φmax均顯著大于非速度脈沖工況下的對應值。當偏心率為0.3時,在速度脈沖工況下20層和30層兩種樓層結構的θmax分別為非速度脈沖工況下的1.7倍和1.6倍;最大層間扭轉角的相應倍數為1.5和1.4倍。

(2) 新型偏心結構體系的層間剪力隨著偏心率的增大呈現出減小的趨勢。同時,速度脈沖地震效應對偏心結構體系層間剪力有一定影響。當偏心率為0.1時,在速度脈沖工況下20層和30層兩種樓層結構的Vmax的最大值比非速度脈沖工況下的對應值分別約大3%和2%。建議在新型重力柱-核心筒結構體系的抗震研究中,針對速度脈沖型地震和質量偏心對結構產生的位移和扭轉變形放大效應予以重點關注。