巨型型钢混凝土框架_核心筒超高层结构抗震性能与破坏模式分析.pdf
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1、第 44 卷 第 2 期 2014 年 1 月下 建筑结构 Building Structure Vol 44 No 2 Jan 2014 巨型型钢混凝土框架-核心筒超高层结构 抗震性能与破坏模式分析 * 陈麟, 杨航, 吴珊瑚, 周云 ( 广州大学土木工程学院,广州 510006) 摘要 巨型型钢混凝土( SC) 框架- 核心筒结构是由巨型型钢混凝土框架、 钢筋混凝土核心筒和伸臂桁架组成 的一种具有多道抗震防线的超高层结构体系。以某超高层建筑为工程背景, 建立有限元分析模型, 通过反应谱分 析、 动力弹塑性时程分析和静力弹塑性分析, 研究这种结构体系在地震作用下的变形、 基底剪力及屈服破坏机
2、制。 分析结果表明: 结构下部变形较大,反映出结构下部破坏比上部严重和核心筒破坏比框架严重这两种破坏趋势; 结构呈现 “连梁墙肢框架” 的屈服机制, 符合多道抗震防线的概念设计; 结构的加强层、 裙塔楼交接处以及结构 底部容易首先破坏, 设计中应当注意这些薄弱环节。 关键词 巨型框架- 核心筒结构;型钢混凝土;抗震性能;屈服机制 中图分类号: TU398. 7文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2014) 02- 0025- 07 Seismic performance and damage patterns of super high- rise mega SC frame
3、- core wall structure Chen Lin,Yang Hang,Wu Shanhu,Zhou Yun ( Department of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China) Abstract: Mega steel reinforced concrete ( SC)frame- core wall structure is a type of structural system for super high- rise buildings,consisting of mega SC fram
4、e, reinforced concrete ( C)core wall and outrigger trusses Finite element analysis model was constructed according to a super high- rise building esponse spectrum analysis,time history analysis and Pushover analysis were carried out to study the deformation,base shear forces and yield failure mechan
5、ism of this type of structural system when subjected to earthquake The results show that the maximum deformation occurred in lower story which indicate the lower part of the structure was destroyed more seriously and the core wall was destroyed more seriously than frame The structure presented yield
6、 sequence as coupling wall- beam to coupling wall- column to frame,corresponding to the seismic concept design of multi- line The weak parts of the structure such as strengthened story,bottom story and intersection members between podium building and main building,should be paid much attention to du
7、ring the design Keywords: mega frame- core wall structure;steel reinforced concrete;seismic performance;yield mechanism * 广东省自然科学基金团队项目( 8351009101000001) , 广州市珠江 科技新星专项( 2011J2200023) 。 作者简介: 陈麟, 博士, 副教授, Email:zyfychen163 com。 0引言 随着建筑物高度的不断增加, 传统的型钢混凝 土框架- 核心筒结构抗震性与经济性渐显不足。在 型钢混凝土框架- 核心筒结构的基础上, 融
8、入巨型结 构体系的概念, 可以得到一种新型混合结构体系: 巨 型型钢混凝土框架- 核心筒结构。该体系主要由巨 型型钢混凝土框架、 钢筋混凝土核心筒和连接两者 的伸臂桁架组成, 不仅具有型钢混凝土结构良好的 稳定性、 防火性和抗侧性 1 , 又拥有巨型结构使用 功能的灵活性和主、 次结构传力明确、 利于抗震 2 等优点, 已不断地被应用于超高层建筑中, 例如上海 环球金融中心( 492m) 3 以及深圳京基金融中心 ( 439m) 和上海中心大厦( 632m) 4 。 目前, 国内外对该类结构体系的分析多局限于 局部构件或节点的研究, 或者非巨型结构体系的普 通型钢混凝土框架- 核心筒结构的研究
9、。例如同济 大学崔大光等 5 对某超高层建筑巨型型钢混凝土 柱截面进行了双向偏心受压校核分析, 研究了配置 型钢对巨型柱受力性能的影响; 中国建筑科学研究 院徐培福等 6 对型钢混凝土框架- 核心筒结构进行 了拟静力试验, 并用多种软件进行模拟, 验证了结构 的抗震性能以及软件的仿真效果; 清华大学缪志伟 等 7 提出了型钢混凝土框架- 核心筒结构基于有限 元软件 MSC MAC 平台的数值分析模型; 而针对 巨型型钢混凝土框架- 核心筒结构进行整体分析的 相关研究较少。由于该类结构体系在国内发展速度 较快, 故有必要对其抗震性能进行进一步研究。 本文以某超高层建筑为工程背景, 利用 ETAB
10、S 和 ABAQUS 软件建立有限元模型, 对巨型型钢混凝 土框架- 核心筒结构进行振型分解反应谱分析、 时程 分析和 Pushover 分析, 研究结构变形、 基底剪力以及 建筑结构2014 年 屈服破坏机制, 以考察结构的抗震性能。 1工程概况 本工程建筑用地面积约 8 066m2, 总建筑面积 为 145 188m2。地上 86 层, 地下 4 层( 底板标高 19. 6m) , 建筑总高度为 359. 7m ( 幕墙顶高度 371. 7m) 。从下向上, 建筑的功能分别为高端临街 商铺及入口大堂、 酒店宴会设施、 套间式办公楼及国 际顶级品牌酒店。整体结构由塔楼与裙楼组成, 塔 楼平面
11、近似正方形, 与地块呈 45角布置。60 层以 上由于建筑立面的需要, 南向角部略向外悬挑, 建筑 效果图见图 1, 结构首层平面布置图见图 2。 图 1建筑效果图 图 2结构首层平面布置图 2分析模型 2. 1 模型基本参数 对实际结构进行一定的简化, 不考虑 60 层以上 悬挑部位, 并对次梁、 楼板开洞进行归并。计算模型 总高度 359m, 标准层层高 4m, 塔楼 86 层, 裙楼 5 层。在第 20, 36, 52, 68, 86 层各设置一道巨型梁, 在 第 20, 36, 52, 68, 71, 86 层各设置一道伸臂桁架, 其 中第 20, 36, 52, 68 层层高为 7.
12、 5m, 顶层层高为 5m, 计算模型腰桁架、 伸臂桁架示意图与三维示意图见 图 3。 图 3计算模型腰桁架、 伸臂桁架示意图和三维示意图 巨型柱为含钢率 7. 7% 10% 的型钢混凝土 柱。边柱、 角柱以及裙楼柱为钢柱。边柱为巨型柱 间的次柱, 截面均为600 800 26; 角柱为塔楼平 面图中突出部分的次柱, 截面均为800 800 30; 裙楼柱为裙楼的框架柱, 截面均为600 600 26。 全楼梁截面为 H750 400 30 35, 连梁高度为 1 000mm, 标准层楼板厚 130mm, 加强层楼板厚 62 第 44 卷 第 2 期陈麟, 等 巨型型钢混凝土框架- 核心筒超高
13、层结构抗震性能与破坏模式分析 250mm。楼板混凝土强度等级为 C35, 钢材均选用 Q345B。构件截面尺寸详见表 1 3。 柱、 墙截面/mm 表 1 楼层巨柱 Z1巨柱 Z2, Z3, Z4外墙内墙 混凝土 强度 1 204 150 4 1504 000 4 0001 300C80 21 363 950 3 9503 800 3 8001 100C70 37 523 700 3 7003 600 3 6001 000400C60 53 713 350 3 3502 500 2 500800C60 72 862 300 2 3002 000 2 000600C60 伸臂构件截面/mm表 2
14、 楼层伸臂腹杆伸臂弦杆 20, 361 200 1 600 801 200 600 50 52, 68, 71, 86800 1 600 80800 600 50 巨型梁截面/mm 表 3 楼层巨型梁腹杆巨型梁弦杆 20, 36600 1 000 35600 1 200 55 52, 68600 1 000 30600 1 200 42 86600 1 000 30600 1 200 42 2. 2 有限元模型的建立 分别利用 ETABS 和 ABAQUS 软件建立有限元模 型, 进行模态分析以及振型分解反应谱分析, 并对计算 结果进行了对比, 以保证模型和分析结果的可靠性。 ETABS 模型
15、中, 梁、 柱、 支撑采用线单元, 核心 筒采用壳单元, 楼板采用膜单元。ABAQUS 模型中, 梁、 柱、 支撑采用纤维梁元, 考虑剪切变形的影响, 剪 力墙和楼板采用分层壳单元。纤维梁元中混凝土本 构采用 UMAT 中的混凝土本构 Uconcrete028 , 该本 构采用 Hognestad 提出的应力- 应变曲线 9 。另外用 修正的 Mander 模型 10, 11 对型钢混凝土柱中混凝土 峰值压应力和压应变进行修正, 以考虑型钢和箍筋 的约束效应。壳单元中混凝土采用弹塑性损伤模 型, 可以满足模拟低围压壳单元混凝土非线性行为 的需求。钢材本构采用双线性随动强化模型, 考虑 Baus
16、chinger 效应。型钢按面积等效为离散纤维, 通 过 “*rebar” 关键字将钢筋和等效后的型钢插入到 截面的相应位置。 表 4 为结构前 6 阶周期和振型特征, 第 1 阶振 型为 Y 向平动, 这是因为 Y 向布置的剪力墙开洞 较多, 而 X 向布置的剪力墙未开洞, 使得两个方向 的刚度有所差别。由于使用及建筑功能的限制, 本工程裙楼同主体结构连成一个整体, 且裙楼偏 置, 结构的体型较复杂, 但结构周期比 0. 85, 可 看出结构的扭转效应并不显著, 这是因为裙楼层 数较低, 且平面布置仍算规整, 对整体结构的扭转 影响不大。 结构周期/s 表 4 模型ETABS 模型ABAQU
17、S 模型振型特征 振型 16. 758 7. 072Y 向平动 振型 26. 727 7. 052X 向平动 振型 32. 951 3. 051扭转 振型 41. 855 1. 915Y 向平动 振型 51. 826 1. 876X 向平动 振型 61. 114 1. 157扭转 沿模型 Y 向输入加速度谱进行分析, 按 8 度设 防烈度考虑, 类场地, 设计地震分组为第一组, 阻 尼比取 0. 04。结构位移曲线以及最大位移与基底 剪力分配分别见图 4 和表 5。由图 4 可知, 结构层 间位移角在加强层处均会发生突变, 且结构整体变 形曲线呈现弯剪型。最大层间位移角小于 1/500, 框架
18、基底剪力所占比率大于 20%。楼层位移在层 高改变的楼层会稍微增大, 但由于在这些楼层设置 了加强构件, 所以层间位移角反而减小。对于层高 突然增大的楼层, 对其进行局部加强是很有必要的。 由于建筑功能要求必须变层高时, 应严格控制层高 的改变幅度, 避免刚度削弱过于显著, 或采取设置加 强构件的措施。 图 4反应谱下结构层间位移角和楼层位移 结构位移和基底剪力分配率表 5 模型ETABS 模型ABAQUS 模型 顶层侧移/mm 最大层间位移角 框架基底剪力分配率 499 1/558 21. 47% 506 1/547 20. 60% ETABS 和 ABAQUS 软件计算所得模型周期、 最
19、大层间位移角、 顶层侧移以及基底剪力均相差不超 过 5%, 且振型特征、 位移沿楼层分布的曲线特征基 本吻合, 可认为所建模型和计算结果可靠, 模型可用 于后续分析。 3动力弹塑性时程分析 利用 ABAQUS 软件对模型进行罕遇地震下的 动力弹塑性时程分析, 地震波选用 El Centro 波 ( 1940 年) 、 Kocaeli 波( 1999 年) 和类场地人工波, 取两个方向的分量按 X 向和 Y 向双向输入, 其中人 工波两个方向的原始波形相同。峰值加速度按场地 设防烈度为 8 度进行调幅, 取 400cm/s2, 调整 Y 向 72 建筑结构2014 年 与 X 向的峰值加速度比值
20、为 1 0. 85。时间历程取 前 20s, 时间间隔为 0. 02s。 3. 1 结构变形分析 3 条地震波计算所得最大层间位移角主要集中 在结构的中下部, 人工波尤为明显, 各加强层处层间 位移角均有明显突变, 如图 5 所示。表 6 给出了结 构的最大顶层侧移和层间位移角, 由表中最大层间 位移角出现的位置可推测, 结构中下部破坏得较严 重, 但最大层间位移角均小于 1/100, 满足建筑抗 震设计规范 ( GB 500102010) 要求。 图 5层间位移角和楼层位移包络图 观察楼层位移包络图, 曲线既有左凸, 又有右 凸。在框架- 核心筒结构的楼层变形中, 曲线大范围 左凸表明结构趋
21、近于剪力墙的变形, 属于弯曲型破 坏, 层间位移角下小上大; 曲线大范围右凸表明结构 趋近于框架的变形, 属于剪切型破坏, 层间位移角下 大上小。以结构下部 Y 向楼层位移为例可以看出, 在人工波作用下, 结构下部的 Y 向楼层位移曲线呈 现右凸, 属于剪切型破坏, 下部层间位移角较大。说 明人工波作用时, 核心筒有可能破坏严重, 形成了框 架主导的剪切变形。由此可知, 结构下部层间位移 角较大可反映两种破坏趋势: 一种是结构下部破坏 比上部严重, 另一种是核心筒破坏比框架严重。这 一点将在 3. 3 节进一步探讨。 结构最大顶层位移和层间位移角表 6 地震波方向 最大层间位移角 最大值出现楼
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