置信广场超高层结构Pushover推覆分析

周建荣,温正慧,周增柱,张俊杰

(1.温州设计集团有限公司,浙江 温州 325000；2.温州融地置业有限公司,浙江 温州 325000)

置信广场超高层结构Pushover推覆分析

周建荣1,温正慧2,周增柱1,张俊杰1

(1.温州设计集团有限公司,浙江 温州 325000；2.温州融地置业有限公司,浙江 温州 325000)

温州置信广场主塔楼结构高度220 m,为超B级高度超限高层,采用框架核心筒抗侧力体系。其外围框架柱为型钢混凝土柱,其余为钢筋混凝土构件。在此，简要介绍该工程的结构体系、结构整体计算指标，并对计算结果进行分析；同时，对该结构进行大震下的静力推覆分析,以考察结构在大震下的变形和力学性能以及结构损伤情况。

静力弹塑性；时程分析；midas building；罕遇地震；墙纤维

1 工程概况

温州置信广场地处温州市鹿城区锦绣路和飞霞南路交叉口,主要规划有超高层办公楼、商业楼及住宅楼,地上建筑面积89 963 m2,地下室总建筑面积69 546 m2,建筑效果图见图1。

主塔楼地上主体52层,高度220 m,地下室2层,属于B级高度高层建筑。34层及以上楼层为酒店,34层以下为办公楼,11层及26层为避难兼机电设备层。酒店与办公区在33层进行转换。该工程抗震设防烈度为6度,场地类别为Ⅵ类,设计地震分组为第一组,设计基本地震加速度为0.05 g,设计特征周期为0.65 s。建筑结构安全等级为二级,设计使用年限为50年,结构重要性系数为1.0。100年重现期基本风压为0.70 kPa,地面粗糙度为B类,基本雪压为0.35 kPa。

2 结构体系和超限情况

2.1 结构体系

置信广场主塔楼采用框架核心筒结构体系。为保证地下室顶板的嵌固作用,塔楼地下室顶板厚度均≥200 mm,地下1层的剪切刚度大于地上1层剪切刚度的2倍,满足嵌固条件。

图3 酒店区标准层

图4 功能转换区剖面图

结构平面尺寸为44.5 m×44.5 m,高宽比约为5,核心筒平面基本呈方形,位置居中。核心筒混凝土强度等级从低到高为C60～C40,核心筒剪力墙厚度从下到上为800～400 mm。图2为下部办公区部位的典型楼层,图3为上部酒店区部位的典型楼层。将图2和图3对比可以看出酒店区部位剪力墙核心筒进行了扩大,需要结构在33层进行功能区的转换和剪力墙核心筒的外扩。其转换情况见图4。结构外围框架柱均采用SRC截面柱,钢骨的含钢率为4%～5.5%。采用SRC柱是由于其具有较高的承载能力和良好的延性耗能能力,并且也利于建筑防火。塔楼典型框架SRC柱截面尺寸从下到上为φ1600～φ1100,SRC柱混凝土强度等级从下到上为C60～C40。

楼盖体系为钢筋混凝土梁板结构。标准层楼板厚度一般为120 mm,在功能转换区及上下楼层板厚加厚为200 mm及150 mm,同时配筋进行加强。

置信广场主塔楼虽然属于B级高度的超限高层结构,但是由于其高宽比较小,具有足够的抗侧向力刚度,因此本工程并未采用伸臂桁架加强其刚度。若结构超高,且其高宽比较大,则可采用加强层部位设置伸臂桁架和外围桁架提高其抗侧刚度。

2.2 结构超限情况

结构高度220 m,超过A级高度限值150 m和B级高度限值200 m,属于略超B级高度的超限高层。考虑偶然偏心的扭转位移比超过1.2,但是小于1.4；首层高度9.75 m,层高为办公区标准层的2倍。酒店区中部开大洞,且酒店区底部3层层高6.6 m,酒店区其余楼层高度3.5 m。结构在33层进行功能区的转换和剪力墙核心筒的外扩,且存在局部转换。虽然工程高度220 m超过200 m,但是其高宽比较小,因此采用静力弹塑性分析方法(Pushover推覆)进行弹塑性分析。

2.3 结构抗震设防性能目标

本工程为超B级高度的超高层建筑。为了确保安全,对本建筑采用了性能化设计,抗震性能目标设为D级,主要结构构件的性能目标见表1。

表1 抗震设防性能目标D级

3 多遇地震及风荷载作用分析

3.1 弹性静力分析

本工程采用PKPM SATWE和MIDAS Building软件进行结构整体弹性计算分析,计算结果见表2。

表2 主要分析结果

比较两种软件计算结果可知,PKPM算得的整体质量及基底剪力比Building略微偏大,其他基本一致。两种软件的计算结果基本是一致的。因此计算结果是可靠和可信的。本工程各项整体指标均满足抗震规范及高层规范的有关要求,墙柱轴压比及构件强度和变形均能满足相关规范要求。

3.2 多遇地震作用下弹性时程分析

采用2组天然波和1组人工波对结构进行弹性时程分析。在地震波计算下,底部剪力均满足大于CQC法的65%,三组地震波分析所得底部剪力平均值大于CQC法的80%,满足规范要求。抗震设计时宜采用三组时程分析结果的包络值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。在结构低区反应谱法结果要大于时程分析法包络值结果;在高区局部楼层,时程分析法的包络值要大于反应谱法结果。

4 结构大震静力弹塑性(Pushover)分析

本工程采用MIDAS Building通用有限元软件对结构进行Pushover分析。Pushover方法是一种计算非线性地震反应的简化方法,因为简便和易操作被认为是基于性能分析方法的重要工具[1]。该方法基本原理为对结构施加沿高度呈某种分布(均匀分布、倒三角、抛物线)的递增荷载来将结构推覆至位移限值或形成倒塌机制,了解结构的弹塑性性能以及结构薄弱部位,从而对结构的薄弱部分进行评估[2]。本工程高度较高,为考虑超高层结构高阶振型的影响,因此，本文采用振型分解法得到的沿楼层分布的层剪力作为侧向加载模式来考虑高阶阵型的影响。

4.1 材料本构关系

梁柱单元的骨架曲线均采用三折线,计算时采用MM相关曲线来模拟梁弯矩弹塑性本构关系,采用PMM相关曲面来模拟柱的三维弹塑性本构关系。剪力墙则采用纤维模型来模拟,墙纤维数量水平和竖向均划分为4个。采用纤维模型可以获得墙体具体部位的变形和受力情况,方便我们判断墙体的破坏程度。混凝土及钢材滞回模型的本构关系按规范取用,见图5、图6。

图5 混凝土单轴受压应力-应变曲线

图6 双折线钢筋本构关系

4.2 结构模型的建立及参数设置

本工程采用PKPM-SATWE及MIDAS Building软件完成结构在多遇地震下的弹性计算。其中MIDAS模型的构件截面、材料信息、荷载信息均从PKPM导入并修正,在检查无误的基础上采用MIDAS Building进行结构的静力弹塑性分析。

4.3 静力弹塑性计算结果分析

计算分析后根据ATC-40方法确定性能点的位置,性能控制点在一定程度上反映了结构在罕遇地震下的性能特点。在加载过程中,控制屋顶水平位移超过限值时结束推覆分析,从而得到X向及Y向的能力谱和需求谱曲线,他们的交点为性能点,见图7、图8。从图中可知X向性能点对应的结构最大层间位移角1/419,顶点位移为367 mm；Y向性能点对应结构的最大层间位移角1/458,顶点位移为373 mm。在罕遇地震作用下,结构无薄弱层,竖向构件最大层间位移角满足规范1/100的要求且有较大余地。其性能点的计算结果汇总见表3。

表3 性能点处相关指标

图7 X向 Pushover分析大震下性能点

图8 Y向 Pushover分析大震下性能点

图9 Pushover分析大震下层间位移角分布

图10 Pushover分析大震下楼层剪力分布

图11 Pushover分析大震下框架铰状态(17层)

图12 Pushover分析大震下剪力墙铰状态(17层)

大震弹塑性相关计算结果图形见图9～12。根据计算分析可知,结构在罕遇地震作用下未出现较大不可恢复的变形和破坏,满足“大震不倒”的抗震设计目标。在性能点处,底部加强部位的剪力墙及框架柱均未出现较大的变形和破坏,连梁及框架梁部位有塑性铰出现。上部的塑性变形主要集中在功能转换区部位,但是塑性变形区域不多。推覆分析下X向的基底剪力为49 360 kN,为反应谱法的4.35倍；Y向基底剪力为50 190 kN,为基底剪力法的4.39倍。结构两个方向的刚度几乎一样,因此两个方向的基底剪力及楼层剪力分布也基本一致。一般情况下,性能点处的基底剪力约为反应谱法分析得出的基底剪力的3～5倍。由此可知基底剪力计算结果还是非常一致的。该结构塑性变形区域并不多,而且最大位移角为1/419(X向)和1/458(Y向),同规范的1/100相比留有较大余地。这是由于该建筑高宽比较小,且核心筒尺寸较大,整体刚度较大,因此,具有较好的抗震性能。

5 结 语

本文对置信广场超高层结构的抗震性能进行了分析。在多遇地震作用下,其周期比、侧向刚度、竖向规则性等指标均符合现行规范的要求；在罕遇地震作用下,结构能满足变形要求与重要构件不发生严重损坏的设防要求。剪力墙底部加强部位轴压比较小,只有连梁部位出现了极少部位的塑性变形；整体结构框架部分也只有少量框架梁产生了塑性铰。因此该结构在遭遇罕遇地震作用下时,能满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设防目标,是安全可靠的。

[1] 傅学怡.实用高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社,2010.

[2] 扶长生,张小勇.推覆分析的原理和实施[J].建筑结构,2012,42(11):1-10.

Pushover Analysis on the Super High-Rise Structure of Zhixin Square

ZHOUJianrong1,WENZhenghui2,ZHOUZengzhu1,ZHANGJunjie1

2017-02-24

周建荣(1985—)，男，浙江乐清人，工程师，从事建筑结构设计及研究工作。

TU973+.2;TU311.3

B

1008-3707(2017)03-0009-05