方钢管混凝土框架-钢板剪力墙核心筒结构弹塑性分析

张淑云，李卓宇

（西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西 西安 710000）

1 典型结构设计与建模

在工程中，为便于钢板墙的设计与应用，常使用简化的拉杆模型。拉杆条模型是目前应用最广泛的简化模型之一[1]。基于简化的钢板墙模型，设计15层方钢管混凝框架钢板剪力墙核心筒结构的典型算例。该结构所处地区的抗震设防烈度为8度，0.2g，II类场地，设计地震分组为第一组，混凝土等级为C30，钢材等级Q235。结构总高度46.2m，层高3.3m。结构的平面尺寸33.68m×33.68m，楼板厚度100mm，结构平面图和核心筒部位竖向布置图见图 1、图2。采用SAP2000分析软件建立结构的非线性分析模型。混凝土和钢材分别选用C30和Q235。其中，梁柱采用杆单元，楼板采用壳单元建立[2]。对于梁一般指定主方向上的0.1和0.9倍杆件长度的弯矩铰和剪力铰；对于柱一般在0.1和0.9倍杆件长度处定义PMM铰；对于拉杆分别在0.1、0.5、0.9倍杆件长度处定义轴力铰[3]。定义结构不同构件的塑性铰参数。则整体结构的三维有限元分析模型见图3。

图1 结构平面图

图2 结构立面图

图3 有限元模型

2 动力弹塑性分析

选择一典型的Elcentral波，加速度时程波形图如图4所示[4]，按一定的比例调幅得到不同设防烈度下的地震动强度，加速度参数见表1。对结构施加双向的不同强度下地震波，对结构进行动力弹塑性分析[5]。可以得到结构的顶点位移时程曲线、基底剪力时程曲线、最大层间位移曲线、最大基底剪力曲线。

图4 加速度时程波形图

地震动加速度参数 表1

2.1 顶点位移时程曲线，基底剪力时程曲线

得到在8度多遇，设防，罕遇地震作用下结构在X方向上的顶点位移时程曲线，见图5、图6、图7。由图可知随着地震波的输入，结构的位移在不同地震波强度下具有不同的顶点位移，并且差异明显。在8度多遇下，顶点位移最大为25mm。在8度设防下，顶点位移最大为75mm。在8度罕遇下，顶点最大位移为150mm。虽然在不同的地震强度作用下结构的位移不同，但是顶点位移时程曲线形状大致相同。

得到在8度多遇，设防，罕遇地震作用下结构在X方向上的基底剪力时程曲线，见图8、图9、图10。由图可知，在双向地震作用下结构的基底剪力随着强度的增加而增加。多遇地震作用下结构的最大基底剪力为2500kN，设防地震作用下最大基底剪力为7500kN，罕遇地震作用下最大基底剪力为15000kN。从整体来看结构的基底剪力时程曲线在不同强度下曲线形状相同。

2.2 最大层间位移，最大层间剪力曲线

图5 多遇X方向

图6 设防X方向

图7 罕遇X方向

图8 多遇X方向

图9 设防X方向

图10 罕遇X方向

得到在8度多遇，设防，罕遇地震作用下结构在X方向上的最大层间位移曲线和最大层间剪力曲线，分别见图11、图12。由最大层间位移曲线可知在不同地震强度下，在顶层的层间位移最大，底部的层间位移最小。从曲线的斜率中可知，多遇地震作用下最大层间位移变化最慢，罕遇地震作用下最大层间位移最快。曲线整体呈直线变化，没有发生明显的突变。这也表明结构刚度分布均匀，在强地震作用下结构的抵抗变形能力较强。由最大层间剪力曲线图可知，结构的最大层间剪力均发生在结构底部，罕遇地震作用下，最大层间剪力为14000kN，这表明结构具有较高的水平承载力，最小的层间剪力发生在结构顶层。多遇地震作用下，结构的最大层间剪力分布均匀，没有明显的突变。设防和罕遇地震作用下结构在2～10层之间层间剪力均匀变化，但在2层和10层处最大层间剪力发生了明显的突变，10层处最大层间剪力较大，在10层之后的最大层间剪力分布变化较快，迅速减小。

图11 最大层间位移曲线

图12 最大层间剪力曲线

2.3 不同地震作用下能量分析

结构弹塑性时程分析计算获得的结构能量输入时程，随着地震波的不断输入，输入能量不断增加，在计算终止时刻达到峰值并趋于平稳，结构的动能在计算终止时趋近于零，结构的塑性变形引起的耗能不断增加后趋于平稳。在小震作用下，如图13。图13结构能量分布见结构处于弹性状态，结构阻尼耗能较小，势能较大。如图14所示，在中震作用下，结构部分构件进入塑性状态，结构阻尼耗能增大，势能减小。如图15所示，在大震作用下，结构进入塑性状态，结构的阻尼耗能最大，势能最小。

图15 罕遇地震下能量分布

3 结论

文章基于简化的钢板剪力墙模型，介绍了一典型的组合框架-剪力墙核心筒结构的建模过程，并对该结构进行了8度多遇、设防、罕遇地震作用下的动力弹塑性分析。得到了顶点位移时程曲线、基底剪力时程曲线、最大层间位移曲线、最大层间剪力曲线。通过对曲线的分析，得到了结构的动力响应规律。

①不同地震强度下的，在顶层的层间位移最大，底部的层间位移最小。结构刚度分布均匀，在强地震作用下结构的抵抗变形能力较强。

②结构的最大层间剪力均发生在结构底部，最小的层间剪力发生在结构顶层。设防和罕遇地震作用下结构在在2～10层之间层间剪力均匀变化，但在2层和10层处最大层间剪力发生了明显的突变。需要在突变处对结构进行加强。