带加强层钢框架-混凝土核心筒结构动力时程分析

杜文学，唐洪堃，周 莉，朱文波

（黑龙江科技大学 建筑工程学院，哈尔滨 150022）

带加强层钢框架-混凝土核心筒结构动力时程分析

杜文学，唐洪堃，周 莉，朱文波

（黑龙江科技大学 建筑工程学院，哈尔滨 150022）

加强层的设置对钢框架-混凝土核心筒结构的抗震性能有重要影响。借助SAP2000建模，通过模型转换运用ABAQUS对一个36层未设置加强层与设置三层加强层的钢框架-混凝土核心筒结构进行结构和双向动力时程分析，并对设置三层加强层的结构体系进行IDA分析。结果表明：在8度和9度罕遇地震作用下，设置三层钢桁架加强层的结构可以明显改善结构整体刚度和屈服顺序，提高结构整体延性；加强层处的水平钢桁架和结构外钢框架刚度处在同一数量等级上，在大震作用下，水平钢桁架先于其他构件破坏，能够起到一定耗能作用；在特定地震动作用下结构体系各个性能点值分别为IO=1/215，CP=1/57，GI=1/10，说明该结构体系设置加强层具有很好的抗震性能。

钢框架-核心筒结构；加强层；动力时程分析；IDA

0　引　言

目前，具有钢桁架水平加强层的钢框架-混凝土核心筒结构体系在国际高层乃至超高层建筑结构中应用广泛［1-3］。该结构形式可有效发挥钢构件、钢与混凝土组合构件以及钢筋混凝土构件各自的优点。与钢结构体系相比，其整体的侧向刚度显著提高，结构整体用钢量明显减少，造价降低；与钢筋混凝土结构体系相比，施工速度加快，构件延性有所改善。文献［4-6］从加强层位置优化以及在高层结构中的工作性能方面作了分析。该结构体系在国内外尚未经历大震的考验，加强层设置后容易在附近楼层出现薄弱层，所以其抗震性能，乃至在罕遇地震作用下的受力性能一直备受关注。

笔者以未设置水平钢桁架加强层和设置三层水平钢桁架加强层的钢框架-混凝土核心筒结构为分析对象，利用ABAQUS进行不同罕遇地震设防下的动力时程分析。同时，对设置三层加强层的结构体系进行单条地震动纪录增量动力分析，以揭示该结构在弹性阶段、弹塑性阶段、极限倒塌阶段的历程响应，得出整个分析过程中楼层最大层间位移角在各个性能点的参考值，可为以后结构设计提供依据。

1　模型建立与计算分析

1.1结构与构件参数

模型为36层的钢框架-混凝土核心筒结构，楼层层高3.3 m，建筑总高度118.8 m，结构高宽比4.4，平面尺寸27 m×27 m，柱距9 m，楼板厚度150 mm，楼板恒荷载5 kN/m，活荷载2 kN/m，钢筋混凝土剪力墙厚度300 mm，其平面布置见图1。

图1　结构平面布置Fig.1 Plan of structure

工程区设防烈度8度，设计基本地震加速度0.20g，场地类别II类，地震分组为第三组，场地特征周期0.45 s，阻尼比0.05，结构中各构件材料参数见表1。

表1　构件材料参数Table 1　Parameters for component material

1.2有限元模型

采用ABAQUS，直接建立模型体系，工作量巨大。笔者根据文献［7］的方法，首先应用SAP2000建立模型，然后对结构体系进行网格划分。根据其提供的模型文本信息，书写用于ABAQUS分析的INP文件，这样避免使用大量钢筋以及逐一定义各个构件接触。其模型在ABAQUS和SAP2000中的三维透视图见图2，在9、17、27层设置三层加强层的结构体系立面和加强层构造见图3。

图2　结构三维透视Fig.2　Structure of three dimensional perspective

图3　结构立面与加强层构造Fig.3 Structure elevation and strengthening layer structure

1.3混凝土与钢材本构模型

结构中剪力墙和楼板均采用S4R壳单元，材料属性采用ABAQUS自带的混凝土弹塑性损伤模型。该模型主要用于钢筋混凝土结构分析［8］，混凝土的损伤破坏主要由拉伸损伤因子dt和压缩损伤因子dc控制，其弹塑性损伤模式描述见图4。

图4　混凝土拉伸与压缩应力-应变曲线Fig.4 Concrete tensile and compression stress-strain curve

在地震作用下，结构往往经历着反复荷载作用，所以在混凝土材料定义时，刚度恢复模式的定义在模拟分析时是十分关键的问题，而其材料的刚度恢复模式主要由刚度恢复因子wt和wc控制。

ABAQUS中允许用户自定义，文中采用wt=0和wc=1两种行为模式，其含义分别为，当由拉伸荷载变为压缩荷载时，只要混凝土材料因拉伸产生的裂缝能够闭合，则压缩刚度得到恢复；当因压缩荷载过大，混凝土出现压碎现象，此时荷载由受压变为受拉时，拉伸刚度是不能够恢复的。反复荷载条件下，材料的刚度恢复模式见图5。

图5　混凝土刚度恢复曲线Fig.5 Concrete stiffness recovery curve

模型中，钢材采用纤维单元材料子程序［9］，多用于铁木辛柯梁单元的模拟，且能够很好地反应结构构件在反复荷载下的力学行为。

1.4地震波选取

对两种结构体系模型拟加载一条人工波和两条天然波，分别为EI Centro波、Taft波和兰州波。

1.5计算结果分析

表2为两种模型在SAP2000中的周期计算结果以及由SAP2000提供模型信息书写INP文件后，两种模型在ABAQUS软件中周期的计算结果。对比表2中两种计算结果可知，前五阶振型周期误差均在5%，说明模型建模具有很好的精度。SAP2000（简称SAP）和ABAQUS（简称ABA）中模型总质量分别为2.019 2×108kg和2.118 2×108kg，其误差也在允许范围内。

表2　周期比较Table 2　Comparison of periods

图6给出了设置钢桁架加强层与否结构体系在8度和9度罕遇地震作用三条地震波双向输入下，结构楼层最大层间位移角。由图6可以看出，随着地震动强度增强，楼层最大层间位移角随之增大，其中在EI Centro波作用下的结构响应值较大；设置加强层后楼层最大层间位移角整体减小，且在加强层设置楼层附近处，最大层间位移角有明显突变。总体来看，罕遇地震作用下，加强层设置后最大层间位移角平均减小10%。在8度罕遇地震作用下，结构体系顶层最大层间位移角分别为1/215和1/206；9度罕遇地震作用下分别为1/167和1/148，其值均符合我国设计规范要求的限值。

图6　楼层最大层间位移角Fig.6 Maximum inter story drift angle

图7、8中分别为两种结构体系在8度和9度罕遇地震下的结构顶层位移时程曲线。由图8可以直观看出，随着地震动作用加强，结构顶层位移随之增大，且设置加强层后，能够明显减小顶层位移；地震作用前期，顶层位移时程发展历程几乎是重合的，说明这两种结构体系在地震动作用下，各个构件完好，体系仍处于弹性阶段；随着历程发展，未设置加强层的结构体系顶层位移明显滞后，表明设置钢桁架加强层，改变了结构的整体刚度，结构体系屈服机制发生改变。在罕遇地震作用下，两种结构体系在同一地震动作用下进入弹塑性的阶段发生改变。总体来看，设置钢桁架加强层后，结构顶层位移最大值减小率平均约为16.1%。

图7　8度地震下结构顶层位移时程曲线Fig.7 Time history curve of top displacement under 8 degree earthquake

图8　9度地震下结构顶层位移时程曲线Fig.8 Time history curve of top displacement under 9 degree earthquake

2　增量动力分析

2.1增量动力分析方法

增量动力分析法（简称IDA法）是近年来国际上用于评价结构整体抗震性能的动力分析方法［10］。该方法简单解释即将一条地震波按照一定规则调幅成不同地震动强度，然后在这组地震动作用下，得到结构的动力响应，最后以结构动力响应值为横坐标、地震动强度为纵坐标，绘制曲线（即IDA曲线）。

文中选取结构体系最大层间位移角作为动力响应值，以地面峰值加速度PGA作为地震动强度指标，并根据FEMA351［11］和FEMA273［12］的相关规定调幅，然后在DM-IM曲线中找出分别代表暂时使用、生命安全和接近倒塌的IO、CP、GI三个性能点，以此评估结构整体抗震性能。

2.2IDA曲线分析

2.2.1最大层间位移角变化

以EI Centro地震波在不同峰值加速度下，双向输入，使结构体系经历不同地震设防。

图9给出PGA=0.1g～1.0g下结构体系楼层最大层间位移角。由图9a可以看出，结构体系楼层最大层间位移角不断增大，但最大值均满足规范要求限值，说明该结构具有很好的抗震性能；沿着楼层高度范围内，结构体系最大层间位移角递增幅度平稳，且在小震作用下，最大层间位移角随楼层高度变化较小，在加强层楼层处及其附近楼层最大层间位移角变化也较小，表明结构各个楼层变形较小；在1.0g加速度峰值地震波下，该结构最大层间位移角接近规范临界值（规范中限值为1/100），最大值出现在底部楼层，说明结构底部开始出现塑性变形。

图9　不同PGA下楼层最大层间位移角Fig.9 Maximum inter story drift angle of different PGA

由图9b可知，楼层最大层间位移角在结构楼层底部有明显的外凸，说明随着地震动强度的不断增强，底部楼层出现严重的塑性变形；在峰值加速度为6.4g地震动作用下，结构楼层最大层间位移角为1/10，其值已远大于规范要求的限值；设置加强层楼层处，楼层最大层间位移角逐渐趋于平稳，突变范围变小，说明地震动强度不断加强下，加强层处水平钢桁架支撑是先于其他结构构件破坏的，大震作用下能起到一定的耗能作用。

2.2.2结构体系顶层位移时程与基底剪力时程响应

图10、11给出了EI Centro波0.1g～6.4g范围内能够代表设置三层钢桁架加强层的结构体系随着地震动强度不断增强而特殊变化的结构顶层位移时程和基底剪力时程曲线。

从结构顶层位移时程曲线 （图10）可以看出：PGA=0.1g时，时程曲线对称分布，结构体系尚处在弹性阶段；当PGA=0.4g～0.6g时，顶层位移已整体偏向正方向，说明整个结构体系进入弹塑性状态；当PGA=3.0g时，顶层位移时程已经明显偏向于正方向，且最大值达到了1.61 m，说明结构大部分构件进入塑性阶段，底层塑性铰增多，塑性变形增大；当PGA=6.4g时，顶层位移时程曲线的形状几乎整体偏向正向，结构体系顶层位移最大达到5.35 m，结构整体塑性变形加大，该结构体系已经处于极度危险状态。

分析基底剪力时程曲线（图11）可得：当地震动峰值加速度值从0.1g调幅到3.0g时，基底剪力增加幅值较大，但是随着地震动的增强，其值开始偏向于y轴的负方向；当加速度由3.0g增加到6.4g时，基底剪力增大幅度明显减小 （与PGA=0.1g～3.0g相比），在时程曲线后期，基底剪力偏向于y轴负方向，且与后期值相比，有减小的趋势，此时顶层位移却明显增大，表明结构体系此时处于接近倒塌状态。

2.2.3DM-IM曲线分析

根据结构体系各个历程响应分析结果，建立具有三层钢桁架水平加强层的钢框架-核心筒结构的DM-IM曲线，见图12。

由图12可知，PGA由0.1g～2.0g时，曲线斜率变化不大，根据0.1g～2.0g历程响应，结构体系有部分构件进入塑性阶段，但绝大多数构件仍然处于弹性阶段，整个结构不须经历大修就可正常使用，此时结构楼层最大层间位移角值为1/215，定义为IO性能点值；当PGA=2.0g开始变大时，曲线斜率明显变小，此时定义该性能点为CP，对应结构楼层最大层间位移角为1/57。

图10　不同PGA下结构顶层位移Fig.10 Structure top displacement under different PGA

图11　不同PGA下基底剪力时程曲线Fig.11 Base shear time history curve of different PGA

图12　EI Centro地震记录的单根IDA曲线Fig.12 Single IDA curve for EI Centro earthquake

研究可知，当PGA=6.4g时，顶层位移整体偏向于y正方向，基底剪力在后期增幅明显减小，偏向于y负方向，顶层位移最大值达到5.35 m，结构体系整体进入塑性阶段，剪力墙损伤严重，结构体系此时处于危险状态，接近倒塌，所以GI性能点对应结构楼层最大层间位移角值为1/10。

通过IDA曲线斜率的变化，得出不同性能点对应的楼层最大层间位移角值。其中，生命安全和接近倒塌性能点值大于抗震规范要求的限值，说明结构整体延性较好，这种高层混合结构具有很好的抗震性能。

3　结论

（1）外钢框架-混凝土核心筒的结构体系设置水平钢桁架加强层后，在罕遇地震作用下，结构楼层最大层间位移角和顶层最大位移都有所减小，其减小的平均幅值分别为10%和16.1%。

（2）与设置水平钢桁架加强层的结构体系相比，未设置水平钢桁架加强层的结构体系顶层位移时程明显滞后，说明结构整体刚度及屈服顺序发生变化而且结构在不同地震波作用下先进入弹塑性阶段。设置钢桁架加强层后，很好地改善了该结构体系的整体延性。

（3）外钢框架高层混合结构，采用的钢桁架水平伸臂加强层，在不同地震强度作用下，先于其他构件破坏，因此起到耗能作用。

（4）在钢材和混凝土本构模型的基础上，采用IDA法对具有三层钢桁架加强层的钢框架-混凝土核心筒结构进行不同设防下的动力时程分析，结果显示，特定地震波下，结构各个性能点最大层间位移角值分别为IO=1/215，CP=1/57，GI=1/10。

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（编辑荀海鑫）

Dynamic time history analysis of steel frame -core wall structure with strengthening layer

DU Wenxue，TANG Hongkun，ZHOU Li，ZHU Wenbo
（School of Civil Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China）

This paper is concerned with an in-depth application of the notion that the strengthening layer arrangement has an important influence on the seismic performance of the steel frame concrete core tube structure.The study is aided by structural SAP2000 modeling and model transformation，using ABAQUS and thereby performing a structure analysis and two-way dynamic time history analysis of two 36-storey steel frame concrete core tube structures:one is provided with three strengthening layers and the other is not provided with any strengthening layers；and an IDA analysis of the structure system of three strengthening layers.The results show that，when exposed to 8 degrees and 9 degrees of rarely occurred earthquake，the structure provided with three steel truss reinforced layers can provide a significant improvement in overall rigidity，yield order，and overall ductility of structure；the rigidity in the horizontal steel truss and external steel frame structures as arranged in strengthening layers is of the same order of magnitude，with the result that，when exposed to large earthquakes，horizontal steel truss experiences an earlier destruction than other structural members，thus playing a contributing role in energy consumption；and when subjected to the specific ground motions，all performance values，such as IO=1/215，CP=1/57，and GI=1/10，reveal that the structure system with a reinforcing layer boasts a better seismic performance.

steel frame-core wall structure；strengthened layer；dynamic time history analysis；IDA

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.014

TU398.9

2095-7262（2015）06-0641-08

A

2015-11-03

国家自然科学基金项目（51478168）

杜文学（1977-），男，吉林省扶余人，副教授，博士，研究方向：高层混合结构抗震性能及大跨度空间结构力学行为分析，E-mail：dwx621@126.com。