超限高层建筑罕遇地震下静力弹塑性分析

来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文
发布时间：2012-08-29浏览：101次

　　摘要:本文以一栋150m高的超限高层住宅为例，对结构进行罕遇地震下静力弹塑性分析以及局部关键部位的验算，对结构在罕遇地震下的安全性进行评估。分析结果表明，超高层结构在罕遇地震下的抗震性能达到设计的预期目标。

　　关键词：超限建筑;罕遇地震;转换结构;静力弹塑性;性能设计

　　1.前言

　　超限高层建筑或超B级高度，或体型复杂，扭转效应明显;或平面布置不规则，刚度突变;或承载力突变;或几个兼有之，因此在结构抗震设计上相对复杂，须保证其结构性能满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防目标，其中评估超限高层能否满足“大震不倒”，找出结构在罕遇地震作用下的薄弱层并采取措施加强就显得尤为重要。对于复杂的结构形式，《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]和《建筑抗震设计规范》[2]都建议对其进行结构弹塑性变形验算。其中静力弹塑性分析法(Elasto-plasticPushoverAnalysis)是一种计算结构弹塑性地震反应的简化方法。

　　2.工程概况

　　本工程位于广州天河，地上44层、地下3层，首层层高8m，转换层层高5.7m，标准住宅层层高3.15m，天面层标高149.6m。地下一层为设备用房和车库;地下2层、3层为车库，战时作为人防工程使用。工程设计基准年限为50年，建筑天面层标高149.6m，平面尺寸36.5mX19.7m，高宽比为8.7。

　　由于建筑功能的要求，建筑首层需8米层高并且在3层设置转换层;嵌固端设置在地下一层地下室顶板。结构采用现浇型钢混凝土部分框支剪力墙结构体系，主要抗侧力构件为剪力墙。除中部核心筒剪力墙及周围部分剪力墙直接落地外，大部分剪力墙在转换层通过梁式转换结构转换为框支柱。框支柱及转换梁采用型钢混凝土结构。支承型钢梁的剪力墙墙端设置钢骨，型钢柱最大截面1300x1800mm，底层核心筒厚度最大800mm，转换层以上核心筒沿着高度逐渐减薄到 300mm;型钢转换梁截面最大为1300x2700mm。墙柱混凝土强度地下室至8层采用C60,中间层随高度增加逐步变换，34层以上墙柱采用 C30。楼盖采用现浇混凝土梁板式楼盖，转换层及地下一层采用200mm厚，中部筒体范围内板厚150mm，其余楼面板厚100mm。

　　3.分析的方法及目的

　　本工程采用结构通用计算软件Midas对结构进行静力弹塑性分析(pushover法)，以评估建筑主体结构在罕遇地震作用下的抗震性能。Midas/Gen的Pushover分析是基于FEMA-273和ATC-40[3]。

　　静力弹塑性分析时，梁基本上采用M铰，对有可能剪切破坏的连梁同时M铰及V铰;柱仅采用P-MM铰;剪力墙主要采用P-MM铰，在底部楼层及剪力墙变化较大部位(转换层以上两层)中剪力较大的墙增设V铰。程序模拟剪力墙非线性本构关系的模型，本质上就是等效为薄壁柱。

　　Midas根据计算模型中的各构件截面、材料特性和配筋情况，计算出各构件的上述非线形本构关系，材料参数均按GB50010-2002采用。本次计算采用了FEMA273提供的塑性铰本构关系，

　　结构的模型分析中揭示第一和第二振型均为分别沿X轴平动和Y轴平动。在分析中以这两种振型决定的水平分布荷载为加载模式，以位移增量控制，对结构分别进行了X方向和Y方向的静力弹塑性分析。计算采用刚性楼板假定，材料强度采用标准值，配筋数据来自小震计算结果及规范要求，即弹塑性模型的配筋参数与实际配筋已较接近，其分析结构是接近真实的。加载顺序与水平荷载竖向分布模式，分两步进行加载，第一步为施加重力荷载代表值，并在施加水平荷载过程中保持恒定;第二步为逐步施加竖向分布模式为倒三角形的水平荷载。

　　各个水准地震水平作用下抗震性能评价采用能力谱法，Midas根据我国抗震规范提供的加速度谱(弹性谱)，使用ATC-40中的能量等效方法计算等效阻尼比，然后利用等效阻尼折减为适用于大震作用下的弹塑性需求谱。能力谱方法分析结果图中，其中4条红线对应阻尼比为5%、10%、15%和20%的罕遇地震弹性需求谱，绿线代表进行了折减后的真实弹塑性需求谱。黄线Pushover计算得到的结构能力谱,弹塑性需求谱与能力谱相交得到罕遇地震作用下的性能控制点。

　　4.罕遇地震下静力弹塑性分析结果

　　图4.1X向罕遇地震下能力谱方法分析结果图4.2Y向罕遇地震下能力谱方法分析结果

　　由图可以看到：结构在罕遇地震作用下，X方向、Y方向性能点的顶点位移分别为0.546m和0.502m，分别为建筑物高度的1/276和1 /302。结构两个方向的等效阻尼比分别为10.97%和8.51%,从能力谱可以看出结构整体性能点处于“小震不坏”和“大震不倒”之间,离“大震不倒”仍有相当一段距离，主体结构仍处于强度上升阶段，有一定的安全储备。此时X方向的最大层间位移角出现在第23层，为1/184;Y向最大层间位移角出现在第28层，为1/232。以上数据表明两个方向的分析所得最大弹塑性层间位移角均小于规范规定的1/100的弹塑性层间位移角限值。结构整体设计能做到“小震不坏，大震不倒”。

　　5.罕遇地震下关键构件的补充验算

　　以转换柱及转换梁为例，对关键构件进行补充验算。

　　框支柱截面1100×1600，型钢截面为1100×500×20×20+700×500×20×20，混凝土强度取标准值为 38.5(N/mm2)，主筋强度取标准值为400(N/mm2)，箍筋强度取标准值为325(N/mm2)，型钢强度取标准值为325(N/mm2)。

　　该构件罕遇地震作用下的内力(KN：

　　荷载工况轴力

　　(kN) 柱底剪力

　　X(kN) 柱底剪力

　　Y(kN) 柱顶弯矩

　　X(kN.m) 柱顶弯矩

　　Y(kN.m) 柱底弯矩

　　X(kN.m) 柱底弯矩

　　Y(kN.m)

　　1.0恒+0.5活+1.0地震x -57250 -1110 -1185 1997 -1082 4790 5292

　　1.0恒+0.5活+1.0地震y -55451 -759 -1190 3135 -1025 5201 3302

　　根据PKPM构件计算程序GJ结果可知，在该内力组合下，该框支柱的箍筋及纵筋小于构件最大配筋率，因而认为，该框支柱在罕遇地震作用下不屈服。

　　转换梁截面1600×2700，型钢截面为500×2300×30×30，混凝土强度取标准值为29.6(N/mm2)，主筋强度取标准值为400(N/mm2)，箍筋强度取标准值为400(N/mm2)，型钢强度取标准值为325(N/mm2)

　　转换梁罕遇地震作用下构件内力：

　　荷载工况端部跨中

　　弯矩(kN.m) 剪力

　　(kN) 弯矩(kN.m) 剪力

　　(kN)

　　1.0恒+0.5活+1.0地震x 34389 23420 34562 2536

　　1.0恒+0.5活+1.0地震y 45980 32075 48180 3233

　　根据《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138-2001)5.1.2条公式(5.1.2-1)计算(梁按构造配筋)，该梁的抗弯承载力为51998kN.m，大于罕遇地震作用下梁弯矩。

　　根据《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138-2001)5.1.2条公式(5.1.5-1)计算(梁配筋按最小配箍率)，该梁的抗剪承载力为28325kN，小于罕遇地震作用下梁剪力;提高梁箍筋，采用三级钢直径18@100(4)，该梁的抗剪承载力为36046kN，大于罕遇地震作用下梁剪力。该梁在罕遇地震作用下不屈服。

　　6.结语

　　本文以一超限高层建筑为例，对结构进行罕遇地震下的抗震性能分析，并对分析中揭示出来的薄弱层和相关关键部位构件进行验算，分析结果表明：结构基本可以满足罕遇地震作用下对承载力、位移效应的控制目标，满足规范的对大震不倒的指标要求，达到预定的抗震设防性能目标。

　　参考文献

　　[1]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范(GB50011—2010)[M].中国建筑工业出版社,2010

　　[2]中华人民共和国行业标准.高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2010)[M].北京:中国建筑工业出版社,2010

《超限高层建筑罕遇地震下静力弹塑性分析》

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文章名称：超限高层建筑罕遇地震下静力弹塑性分析

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