大连星海湾金融商务区XH-17、XH17-2地块超高层结构弹塑性动力时程分析

文/谢雷 大连都市发展设计有限公司 辽宁大连 116011

大连星海湾金融商务区XH-17、XH17-2地块超高层结构弹塑性动力时程分析

文/谢雷 大连都市发展设计有限公司 辽宁大连 116011

采用PERFORM-3D分析软件选取一组人工波，两组天然波对一超高层结构进行罕遇地震作用下的动力弹塑性分析，从而预测出整体结构在罕遇地震作用下的变形性能和破坏情况，对不满足结构抗震性能目标的薄弱位置通过设置型钢和增加配筋的方式增加薄弱竖向构件的承载力和延性，保证结构在罕遇地震作用下结构的安全性。

超高层结构;罕遇地震;弹塑性分析

1 工程概况

大连星海湾金融商务区超高层项目地上49层，结构高度为195.7m。地上1～3层层高分别为6m、5.4m、5.4m，4～49层标准层层高3.8m。

该工程抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.1g，50年重现期基本风压为0.65Kpa，地面粗糙度为B类。

2 结构体系

该工程结构形式为钢筋混凝土框架-核心筒结构。平面尺寸为43.6mx35.7m，标准层外圈梁高统一为750mm，内部主梁梁高650mm，次梁600mm，外圈墙厚为900～500mm，内部墙厚为300～200mm。

3 超限分析

本工程为钢筋混凝土框架-核心筒结构，高度超过《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]中框架-核心筒结构B级高度的最大适用高度180m，属于超B级高层。

平面形状为长方形，最大扭转位移比为1.24，楼板一层不连续，偏心率大于15%，属平面扭转不规则结构。

本工程一层有4根穿层柱，属竖向不规则结构。

4 弹塑性分析软件介绍

PERFORM-3D三维结构非线性分析与性能评估软件，是一个用于抗震设计的非线性计算软件。通过基于变形或强度的限制状态对复杂结构进行非线性分析。PERFORM-3D是以结构工程概念为基础，根据美国现行规范进行基于性能的抗震设计与评估。

5 混凝土本构关系

本文采用的混凝土本构模型是《混凝土结构设计规范》[2]附录C中混凝土多轴强度和本构关系中的单轴应力应变关系。PERFORM-3D采用的五折线混凝土本构关系曲线。

6 钢材模型

钢筋本构模型：骨架曲线采用二折线本构模型。

7 单元模型理论

本结构模型采用纤维梁柱单元及剪力墙单元。

（1）梁、柱纤维截面

普通混凝土梁（连梁）构件采用两端为弯矩塑性铰，中间为弹性杆系的模型来模拟梁的非线性行为。钢筋混凝土梁的屈服状态确定以边缘钢筋的应变达到时为标志，其破坏状态以混凝土应变达到混凝土的极限应变时为标志。

柱采用塑性区弹性杆系拼接形成单元。本结构柱采用二维纤维单元模拟，程序通过材料的本构关系自动确定截面的塑性。

（2）纤维剪力墙单元

PERFORM-3D的剪力墙单元是四节点单元，剪力墙的纤维截面为一维纤维截面。剪力墙平面外抗弯、平面外抗剪、抗扭等本构属于弹簧本构。如果剪力墙与相邻的梁的连接为刚性连接，需要建立内置刚臂连接。

8 地震作用与地震波选取

输入的地震加速度时程曲线分别采用了人工加速度时程曲线xxtd（超越概率 2%）、实际地震记录天然波A10、A18波。时程分析时主分量峰值加速度取220 cm/s2。

9 结构大震性能目标选取

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》中3.11节的规定，结构抗震性能目标基本满足C目标，大震下结构抗震性能水准基本满足水准4。

10 弹塑性分析模型

a)分析设置

弹塑性时程分析前先进行重力荷载分析。弹塑性时程分析步长为0.02s。结构采用瑞利阻尼，第一周期取0.9T1，第二周期取0.2T1。结构阻尼比取0.05。

b) 结构整体反应结果

时程分析时，采用双向地震波的输入，峰值加速度在主次方向的比值均为1:0.85，分析所得位移角结果为：人工波X方向1/228，Y方向1/222；A10波X方向1/282，Y方向1/224；A18波X方向1/241，Y方向1/249。

基底剪力结果为：人工波X方向50950KN，Y方向67221KN；A10波X方向53883KN，Y方向65337KN；A18波X方向51242KN，Y方向62711KN。与CQC小震规范基底剪力之比分别为：人工波X方向3.9，Y方向4.9；A10波X方向4.1，Y方向4.7；A18波X方向3.9，Y方向4.5。

分析结果表明，X、Y方向均进入了弹塑性阶段，X方向进入塑性程度较Y方向略大，相应的非线性耗能增大。

c）构件抗震性能评估

罕遇地震下大部分梁构件进入较强的弹塑性阶段，仅局部墙及柱构件钢筋进入屈服状态，没有竖向构件进入极限状态，基本满足罕遇地震作用下水准4的性能目标。

d）关键构件弹塑性受剪截面验算

采用PERFORM 3D进行罕遇地震作用弹塑性时程分析，将底层剪力墙的最大剪力与规范规定的受剪承载力进行比较。主要墙肢受剪承载力均满足规范要求。

11 结论

结合性能分析软件PERFORM-3D，对结构进行三维弹塑性分析。分析结果说明：

（1）建筑结构体系在罕遇地震作用下整体变形为1/222，小于1/100，满足规范要求；

（2）根据塑性铰发展情况，大量的连梁及框架梁进入屈服状态，局部框架柱进入屈服状态。结构整体非线性能量耗散主要由框架梁及连梁承担；

（3）进入屈服的梁并未达到极限变形状态，主要竖向构件（墙、柱）的混凝土受压均低于屈服状态，钢筋大多低于屈服状态，局部部位钢筋进入屈服状态；

（4）经验算，主要钢筋混凝土竖向构件，其截面抗剪承载力满足《高层建筑混凝土结构技术规程》公式3.11.3-4的要求；

（5）罕遇地震时程分析得到相对准确的结构动力特性，底部墙肢局部拉应力较大、顶部框架柱及裙房在主楼相关范围内框架柱拉应力较大，通过设置型钢或增加配筋等措施增加较薄弱竖向构件的承载力及延性，可以满足大震不屈服的性能目标。

可以得出结论，结构整体能够基本满足罕遇地震作用下结构抗震性能水准4的要求。

[1] 高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2012）

[2]《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）