大连某超限高层结构地震响应分析

作者:未知

  摘 要 本文选取大连市某超限高层建筑为背景工程,对上述结构进行动力弹塑性时程分析与静力弹塑性分析,所得结果进行对比,研究结构的动力响应及损伤发展,以此评估本工程抗震性能,并得到此类框筒结构形式大震下损伤发展的一般规律。
  关键词 超限高层结构;框架—核心筒混合结构;抗震性能设计;弹塑性分析
  结合我国地震灾害多发且破坏严重的特点,及超高层结构特别是针对框架—核心筒混合结构广泛应用的现实,超限高层结构的抗震性能设计成为了目前工程设计领域一个亟待解决的课题。
  如何更为精确地模拟工程在实际地震灾害特别是在高烈度地震荷载下结构进入非线性阶段后的动力响应作为工程抗震设计领域的一大难题历来受到重视。近年来,静力弹塑性分析法(Push-over)被广泛应用于超高层工程的抗震性能设计中,和动力弹塑性时程分析法一起作为我国规范中所建议的超高层结构罕遇地震下结构抗震性能验算方法而被广泛应用。本文拟利用YJK软件,以超限高层实际工程为例进行大震下的弹塑性分析,以评估其抗震性能,并对比分析两种分析方法下结果异同。
  1 框架—核心筒结构的受力特点
  框架—核心筒结构体系中,核心筒不仅是主要的竖向承载构件,绝大部分的水平力作用都由筒体来承担。在一般侧向力作用下,如抗风和抗震分析中,筒体承受水平剪力约占六成以上甚至达到80%。相比之下,框架并不作为结构主要抗侧力构件承担剪力,但出于安全方面的考量,一般应按照规范建议不低于20%。
  超高层结构顶点位移与建筑高度的四次方成正比,在不同分布形式的水平荷载作用下有着不同的表达形式:
  水平均布荷载:
  (1)
  水平倒三角荷载:
  (2)
  超高层建筑由于总高很大而会在相同程度的水平荷载作用下产生比一般结构更明显的侧向位移。在设计中除了考虑到结构构件的安全问题之外,为满足规范规定中对应结构整体变形指标的要求,应保证有足够的侧向刚度。
  2 背景工程概况
  本工程位于大连市核心区,建筑形式为超高层塔楼附带裙楼。上部21层是五星级酒店,标准层层高为3.8m。下部是20层的5A级智能办公楼,标准层层高为4.5m,共42层(局部43层),第21层为电梯转换及设备避难层,总高度9.2m。总高度为197.5m。塔楼标准层平面呈梯形,上部酒店层南立面自酒店底部向上逐渐内收,到顶部变为(45m+54m)×28.5m。由于裙楼位于塔楼东侧及建筑布置的影响,在裙楼高度内各层水平抗侧力构件布置不均匀,导致结构扭转效应明显。为消除扭转效应,本工程设置防震缝,将塔楼和裙楼划分为两个独立结构单元,本文中选取塔楼地上结构进行分析。
  塔楼为高度超B类建筑。鉴于建筑与结构的结合考虑,大楼结构采用了双重结构体系抵抗水平,即钢筋混凝土核心筒(一重)及周边型钢混凝土柱框架(二重)组成,核心筒及框架承受相同等级的竖向荷载。作为主要的水平荷载受力构件,核心筒承受大部分水平荷载,框架作为第二重受力体系承担一部分水平荷载。
  根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)和《建筑抗震设防分类标准》(GB50233-2008)中规定,采用的主楼结构抗震分析主要参数如下所示:
  3 弹塑性分析方法简介
  3.1 动力弹塑性时程分析法
  动力弹塑性时程分析法,是一种直接基于结构动力方程的数值方法。该方法直接将经过筛选后的地震动以荷载的形式输入结构,并以结构的弹塑性振动体系作为数值模型,由结构的初始状态逐步积分求解结构在各时刻各构件的变形以及内力等抗震设计参数,从而判断结构的薄弱部位、屈服机制以及可能的破坏模式。它从强度和变形两个方面来检验结构的安全和抗震可靠度,对结构性能做出比较合理的评价。
  3.2 静力弹塑性分析法
  静力弹塑性分析法(Push-over法)采用静力单调加载的方式施加于结构之上,是一种简化了的非线性分析方法,其核心理论是“承载力谱法”和“目标位移法”。假设结构主要受其基本振型控制,在地震作用下,沿结构高度方向的形状向量{φ}保持不变。通过在结构施加上固定不变的竖向荷载的基础上,同时采用某种分布形式的水平荷载作用于结构上,以此来模拟地震荷载。使水平荷载逐步增大,结构构件依次进入屈服阶段,直至结构达到预定的破坏状态,通过近似得到的结构在预期地震水平下的塑性发展指标,以此来评价结构对应工况下的抗震性能。
  4 弹塑性計算结果
  本文利用YJK软件中的弹塑性分析模块,对结构分别进行7度(0.10g)罕遇烈度下的动力时程及静力弹塑性分析。在动力时程分析中选取5条地震波记录,将选取的地震动峰值加速度调整为对应《抗规》规定的7度区罕遇地震水准,即PGA=220 gal,以结构弱轴Y轴方向为地震波输入的主方向,并研究该方向下的结构变形和内力随楼层变化情况,对多条记录计算结果取平均值结合静力弹塑性分析结果进行对比。计算结果分析如下。
  4.1 计算结果
  4.2 对比分析结果
  (1)由弹塑性分析中采用的静力法与动力时程法结果对比可以看出,两者在结构动力响应随楼层变化趋势和数值上较为一致,楼层位移角最大值均满足规范规定的1/100的限值,但静力法分析结果中出现相对集中于结构一侧。静力法在分析结果具有一定的精度和可靠度,但因是采用静力模拟动力荷载而忽略了地震的特殊性,不能很好考虑到地震波及结构的动力特性的影响。
  (2)由结构的塑性发展过程可以看出,结构主要依靠连梁及框架梁进入塑性滞回耗能,而核心筒与框架柱相对保持完好,在全过程中基本处于弹性阶段。设计很好地符合了此类结构预定的耗能机制,有效保护了结构主要竖向受力构件核心筒及框架柱,满足“强柱弱梁”及“大震不倒”的标准,在其设防罕遇烈度地震下有着较好的抗震性能。
  5 结束语
  超限高层结构的设计难度无论从结构整体抑或是构件上都远大于一般高层建筑,而出于对现行规范中并无统一研究超高层建筑抗震性能的标准和明确的设计依据的考虑,以及缺少相关超高层结构的震害资料,超限高层结构的抗震性能设计与评估就显得尤为重要。文中通过选用两种常用弹塑性计算方法对实际工程进行大震下抗震性能评估,验证了其良好的抵御罕遇地震荷载的能力,也验证了两种弹塑性分析方法之间结果有着良好的符合度,在实际应用中可根据规范建议的适用范围取用。在结构设计除了考虑到结构构件的安全问题之外,还应满足规范规定中对应结构整体变形指标的要求。
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