多類型地震下土-核心筒-框架結構響應評估

程 劍

(合肥碧祥房地產有限公司,安徽 合肥 230041)

在人類歷史上多次大地震的震害調查中,遠震區的高層結構會有比普通結構更為強烈的地震反應,這往往是由于受到長周期地震動的影響[1]。隨著土地資源的緊缺與結構抗震性能設計要求的提升,帶地下室的混凝土核心筒-框架結構體系開始廣泛出現[2]。受限于地震動資料與研究方法,目前關于混凝土核心筒-框架結構體系的地震響應與損傷情況研究仍然較少。因此,在不同類型地震動作用下,研究土-地基-核心筒-框架結構體系的地震響應與損傷情況具有十分重要的現實意義。

本文以一典型混凝土核心筒-框架結構作為用于數值模型分析的實際工程背景,考慮土-結構相互作用的影響,利用有限元軟件ABAQUS對該結構體系在三條不同類型地震動水平向作用下的結構抗震性能與損傷情況進行了研究,分析了該結構體系的薄弱部位以及地震動類型所導致的地震響應差異。

1 工程概況

本文以一典型混凝土核心筒-框架結構體系為實際工程背景,該結構體系剖面圖如圖1所示。結構地上部分為15層,地下部分為2層,總高53 m,寬10 m。其地上結構橫向尺寸為10 m×45 m,單層層高為3 m,樓板厚0.4 m,柱截面尺寸為0.6 m×0.6 m,核心筒截面尺寸為3 m×0.4 m。地下結構橫向尺寸為10 m×8 m,單層層高為4 m,樓板厚0.4 m,柱截面尺寸為0.6 m×0.6 m,核心筒截面尺寸為3 m×0.4 m。該結構體系采用的是標號為C60的混凝土。

本文計算場地土體參數選用具有代表性的典型土層地基[3],截取土體深度為70 m,土層分布及其參數如表1所示。

2 有限元模型的建立

2.1 土體和混凝土動力本構模型及參數

使用ABAQUS軟件建立了土-地基-核心筒-框架結構體系的數值分析模型,如圖2所示。

表1 土層分布及其參數

在建立有限元模型時,混凝土核心筒-框架結構體系和土體都采用平面應變單元CPE4R進行離散。其中,混凝土采用塑性損傷本構模型,其彈性模量取為36 GPa,泊松比取為0.2。場地土體通過等效線性化模型來考慮其動力作用下的物理特性,同時它也能夠體現土體一定的非線性屬性。場地土體和結構之間的相互作用通過設置接觸來對其進行模擬,其中法向采用硬接觸,切向采用摩擦接觸,且摩擦系數取為0.4[4]。

2.2 土-地基-核心筒-框架結構體系計算模型的建立

為了減小橫向計算范圍和人工邊界對混凝土核心筒-框架結構體系的地震響應影響,通過參考文獻[5]的處理做法,將數值模型單側寬度定為結構體系寬度的10倍,故二維數值模型的計算范圍為:200 m×70 m。模型土體網格的劃分尺寸則是滿足Kuhlemeyer[6]建議的表達式,使得波通過模型后仍能保持較高的精度。

3 相互作用體系輸入地震動

為探究不同類型地震動的特性對目標結構體系的地震響應的影響情況,本文選取了常用的El Centro波和1999年中國臺灣集集地震中的長周期地震波KAU043波與普通地震波TCU089波作為基巖輸入地震動,其水平向加速度時域響應與傅氏變化幅值譜展示在圖3中。表2展示列舉了選用的地震動的重要特征,包括持時、時間步長、卓越頻率等。按7度抗震設防標準,本文將輸入地震波的峰值加速度調整至0.1g,數值模型共設計了三種工況:KAU043水平向作用;El Centro水平向作用;TCU089水平向作用。

表2 地震波的特征信息

4 抗震性能分析與損傷評估

4.1 核心筒-框架結構體系側向位移反應分析

圖4展示了在選用的不同地震波輸入下核心筒-框架結構體系沿高度方向相對水平位移結果。由圖4可知,結構體系的水平位移均呈倒三角形式,地下結構相較于地上結構具有更大的水平變形率。除此之外,KAU043波作用下的水平位移最大,為42.1 cm;TCU089波次之,水平位移為17.1 cm;El Centro波最小,水平位移為9.9 cm。因此,長周期地震波KAU043作用會導致該結構體系具有更大的位移反應。而兩條普通地震波中,由于TCU089波的卓越頻率更接近結構體系基頻,因此結構體系的位移反應大于El Centro波。

4.2 核心筒-框架結構體系應力反應分析

圖5給出了在選用的不同地震波輸入下核心筒-框架結構的Mises應力云圖。由圖5可知,低樓層的柱頂與柱腳、地下結構核心筒腳、地下結構底板是地震中核心筒-框架結構的抗震薄弱部位。所設計的不同輸入工況下以上所述部位的Mises應力最值展示在表3中,由此可得,在以上所述部位中地下結構核心筒腳的Mises應力值最大。地震波類型對應力大小的影響與位移反應基本一致。此外,長周期地震波KAU043作用下,上部結構的薄弱部位發生了改變,在此類結構體系的抗震設計中需要予以重視。

4.3 核心筒-框架結構體系損傷分析

進一步對核心筒-框架結構體系的損傷情況進行分析,圖6給出了核心筒-框架結構體系在三條地震波作用下的受拉損傷云圖,由圖6可知三種工況下,地下結構核心筒腳出現了最為明顯的受損情況,是結構體系的抗震薄弱部位。此外,地下結構底板出現了不同程度的損傷,損傷因子如表4所示。可以發現,不同類型的地震波對于地下結構底板損傷的影響差異大于核心筒腳損傷。核心筒-框架結構體系上部結構在三條地震波作用下均未出現損傷,表明該結構體系具有良好的抗震性能,在7度抗震設防標準下安全度高。

表3 核心筒-框架結構薄弱部位應力 MPa

表4 核心筒-框架結構體系損傷

5 結論

通過本文的研究,可得到以下結論:

1)地震作用下核心筒-框架結構體系沿高度方向相對水平位移呈倒三角分布,地下結構相較于地上結構具有更大的水平變形率。

2)低樓層的柱頂與柱腳、地下結構核心筒腳、地下結構底板是地震中結構體系的抗震薄弱部位,這些區域會有較大的應力反應與損傷情況。

3)長周期地震動與卓越頻率接近結構體系基頻的地震動都會加劇結構地震反應。因此在核心筒-框架結構體系設計中,需要考慮不同類型地震動對核心筒-框架結構體系地震反應的影響。