罕遇地震作用下超高层公寓静力弹塑性分析

刘嘉慧

(中信建筑设计研究总院有限公司， 湖北 武汉 430014)



罕遇地震作用下超高层公寓静力弹塑性分析

刘嘉慧

(中信建筑设计研究总院有限公司， 湖北 武汉 430014)

采用Pushover法对超高层公寓进行罕遇地震作用下的弹塑性分析,以建立结构能力谱曲线并评价结构的抗震性能。根据罕遇地震性能点的结构变形,检验结构层间位移角是否满足弹塑性层间位移角限值；由结构塑性铰的分布,判断结构薄弱位置,进而根据塑性铰所处的状态,检验结构构件是否满足罕遇作用下性能水准的要求。结果表明,不同荷载分布模式下的结构模型在罕遇地震作用下均满足“大震不倒”的抗震设防目标。

弹塑性；塑性铰；罕遇地震；层间位移角

1　工程概况

本工程位于武汉市汉口贺家墩常青路与中环线交汇处,江汉区常青路张公堤边。超高层公寓地上50层,标准层层高2.9m,地面以上总高度154.8m,为B级高度(属于高度超限)的钢筋混凝土高层建筑,须进行基于性能的抗震设计。结构形式为剪力墙结构,抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g,设计地震分组为第一组,场地土类别为Ⅱ类。

2　超高层公寓的弹塑性分析

2.1模型建立

分析模型为由SATWE转至MIDAS/Gen的计算模型,几何、材料参数及荷载均同SATWE模型。由MIDAS/Gen进行弹性计算,并对构件进行设计后再进行Pushover分析,弹性计算考虑风荷载和地震作用。地震作用按6度小震,采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法计算。结构三维立体图见图1,标准层平面见图2。

图1　结构三维立体图

图2　标准层平面

2.2Pushover主控数据及荷载工况

初始荷载采用 1.0恒载标准值+0.5活荷载标准值。最大子步骤数 20。每步骤内最大迭代计算次数 20。位移标准 0.001。

由于在一种固定侧向荷载分布模式作用下不可能预测结构构件的各种变形情况,因此建议至少采用两种侧向荷载分布模式进行分析。本工程采用两种类型的侧向荷载分布模式进行Pushover分析,即模态分布模式和加速度常量分布模式。考虑到结构的非对称性,每种荷载分别按X、Y两个主方向加载,每个方向分别考虑正负不同情况。对上述共8个荷载工况进行了Pushover分析,得到各个工况的能力谱曲线,Pushover荷载工况见表1。

2.3定义及分配铰特性值

塑性铰成分的定义,与构件预期破坏的方式(屈服成分)有关。塑性铰应设置在弹性阶段内力最大处,因为结构的这些位置最先达到屈服。对于梁单元,一般情况是两端内力最大,并且主要承受弯矩荷载,所以在梁两端设置弯矩铰(My)。而柱、 墙承受轴力和双向弯矩的共同作用,故在柱、墙两端设置压弯铰(P-My-Mz)。在剪力最大处,应设置剪切铰。构件如因节点打断,应注意不是全选构件去分配塑性铰,这将导致铰太多或设铰不正确,要“该设才设”。Pushover分析中铰特性值的定义及分配见表2。

表1　Pushover荷载工况

表2　铰特性值的定义及分配

3　结果分析

3.1动力特性

进行Pushover分析前,对SATWE和MIDAS/Gen两种分析程序整体计算结果进行了比较。从表3和表4可以看出,两种模型的质量、自振周期均接近,且振动形态也一一对应,表明MIDAS/Gen计算模型具备进行结构静力弹塑性分析的条件。

表3　结构质量

表4　结构动力特性

3.2罕遇地震作用下结构的性能点

由静力弹塑性分析可以得到基底反力与控制节点位移关系曲线,称为能力曲线。要得到性能点,应该先将能力曲线转化成谱加速度-谱位移表示的能力谱曲线,同时将反应谱曲线转换为谱加速度-谱位移表示的需求谱曲线,能力谱曲线与需求谱曲线放在同一坐标系内,两条曲线的交点即为性能点[1-2]。

从不同方向进行的加载得到的能力谱曲线反映了结构在不同方向上的抗推覆能力。在推覆过程中,同一加载模式下X向能力谱曲线和Y方向能力谱曲线变化非常相似,曲线形状基本相同,说明两个方向的抗推覆能力也非常相近；同一加载模式下同一坐标轴方向的正负两个方向能力谱曲线基本相同,说明结构沿正负两个方向的抗推覆能力也基本相同。

从图3至图6可以看出,能力谱曲线较为平滑,顶点位移与基底剪力基本呈线性递增；在设定目标范围内,各荷载工况下得到的能力曲线均平滑上升,未出现陡降段或突变段。各能力谱与罕遇地震的需求谱均有交点。

图3　PUSH-MX+能力谱曲线及性能点

图4　PUSH-AX+能力谱曲线及性能点

图5　PUSH-MY+能力谱曲线及性能点

图6　PUSH-AY+能力谱曲线及性能点

3.3罕遇地震作用下弹塑性层间位移角

结构竖向刚度基本均匀,罕遇地震作用下弹塑性层间位移角曲线均匀变化,不存在突变。各工况下X向弹塑性层间位移角最大值为1/400,出现在第27层结构；各工况下Y向弹塑性层间位移角最大值为1/403,出现在第25层结构。表明两个方向的刚度非常相近,罕遇地震作用下弹塑性层间位移角均小于1/120,满足弹塑性层间位移角限值的规定[3-4]。

3.4罕遇地震作用下塑性铰分布

以PUSH-MX+和PUSH-MY+两个荷载工况为例,主要结构部分在罕遇地震作用下的塑性铰分布见图7。

罕遇地震性能点处的塑性铰状态见表5。

表5　罕遇地震性能点处的塑性铰状态

图7　PUSH-MX+和PUSH-MY+塑性铰分布图

4　结　语

在罕遇地震作用下,不同加载模式得到的能力谱曲线与罕遇地震的需求谱曲线均有交点。竖向构件绝大部分处于弹性状态,少部分出现刚进入屈服状态的PMM铰；框架梁和连梁绝大部分处于弹性状态或出现刚进入屈服状态的塑性铰,部分塑性铰进入IO状态。结构具有一定的强度与变形能力储备,可以满足“大震不倒”的要求,弹塑性分析结果满足结构抗震性能目标。部分连梁出现塑性铰,应严格控制配筋率,提高连梁延性, 同时满足强剪弱弯的要求。底部少数剪力墙在罕遇地震作用下出现塑性铰,应加强剪力墙底部的配筋构造。

[1]胡潇,高涌涛.罕遇地震作用下什邡电信大楼静力弹塑性分析[J].建筑结构,2011,41(3)：45-49．

[2]汪大绥,贺军利,张凤新.静力弹塑性分析(Pushover Analysis)的基本原理和计算实例[J].世界地震工程,2004,20(1)：45-53．

[3]中国建筑科学研究院.GB 50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[4]中国建筑科学研究院.JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2011.

Analysis on the Static Elastic Plasticity of the Super High-Rise Buildings under the Effect of Rarely Occurred Earthquake

LIU Jiahui

2016-04-26

刘嘉慧(1985—)，男，河南叶县人，工程师，从事结构设计工作。

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