某工程在罕遇地震作用下动力弹塑性分析.pdf

工程结构四川建筑第43卷第4期某工程在罕遇地震作用下动力弹塑性分析陈健，欧欲兴，张冀（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州510 0 0 0）【摘要】随着我国经济突飞猛进城市中超高层以及复杂高层建筑越来越多，结构性能化设计得到了广泛应用，性能化设计中一种重要分析方法就是动力弹塑性分析方法。某工程采用部分框支剪力墙结构，对该工程进行大震作用下动力弹塑性分析，阐述了结构在大震作用下屈服及破坏机制，对结构的薄弱部位进行分析，并验证了结构在大震作用下的抗震性能。【关键词】动力弹塑性；破坏机制；性能化设计【中图分类号】TU352.11【文献标志码】A1工程概况及结构布置1.1工程概况重庆轨道五号线北延伸段狮子山停车场工程4区3楼为部分框支剪力墙结构。结构总高7 8.5m，裙房2 层顶面标高15.4m，裙房层高2 层，塔楼层高2 2 层。由于首层为列车停车场，部分竖向受力构件需进行转换，根据建筑功能要求及结构受力特点，采用框支剪力墙结构体系，转换层设置在第二层,本工程结构计算嵌固端设置在基础顶面。1.2结构使用年限、安全等级及抗震设防标准本工程结构设计按规范相关要求保证结构具有足够的耐久性，结构的设计使用年限为50 年。结构的安全等级为二级,结构重要性系数=1.0 l。基础设计等级为甲级。本工程场地地震动峰值加速度为0.0 5g，地震动反应谱特征周期为0.35s;本工程场地设计地震分组为第一组，抗震设防烈度为6 度。根据勘察资料，建筑场地类别为类，拟建工程抗震设防类别为丙类（表1、表2）。表1结构分类等级塔楼项目号设计使用年限50年建筑结构安全等级结构重要性系数抗震设防类别=1.0抗震设防烈度6度3#楼场地类别高层住宅建筑结构防火等级1.3主要构件截面主要构件截面见表3。1.4结构主受力体系本工程无地下室,3高层建筑高度最高约7 8.35m,2层204表2 3#楼高层住宅构件抗震等级3框架柱框支（相关构件框架梁框架范围裙楼柱）首层 转换二级三级三级三级层（底盘）转换层以上两层其余楼层注：按部分框支剪力墙结构确定抗震等级。表3主要构件截面塔楼楼层墙柱裙房1 2 层柱:10 0 0 10 0 0/8 0 0 8 0 0截面柱：16 0 0 150 0/16 0 0 150 0/(墙厚t;塔楼1 2 层16001400/14001400为主柱截面(bxh)3#楼内容项目设计地震分组类地基基础的设计等级地下室临水面和露天混凝土混凝土结构的一级环境类别落地剪力墙剪力墙/三级/塔楼2 2 2 层墙：30 0/2 50/2 0 0 为主塔楼梁200400/200 500/200600内容400 1200/600 1200/800 1200/8001600梁截面裙楼梁二级(bxh)丙类第一组甲级结构为二类a组，其余均为一类/四级/构件截面/mm300900/4001000/400 12001200 2000/1600 2000/转换梁14002000裙房，裙房总高度15.4m。嵌固端设置在基础顶面。经过结构整体倾覆验算。该结构不存在零应力区。该工程首层为列车停车场，2 层为商业停车场，32 2 层为住宅部分，其中，住宅部分竖向受力构件需进行转换，转换层设置在第二层。地震以及及风荷载产生的侧向力主要由框架柱（包含框支柱)以及剪力墙承担，各主要受力分体系定稿日期 2 0 2 2 -0 7-18作者简介陈健（198 8 一），男，硕士，工程师，从事结构设计工作。三级四级备注主梁主梁次梁某工程在罕遇地震作用下动力弹塑性分析简述：（1）竖向承载体系：带转换结体系。(2)抗侧力体系：3 2 2 层塔楼抗侧刚度由剪力墙提供，结构底部2 层抗侧刚度主要由框架柱（含框支柱)以及剪力墙提供。（3)水平承载体系：采用普通现浇钢筋混凝土梁板体系。（4)本工程裙楼和塔楼均采用普通钢筋混凝土梁板式楼盖系统。1.5结构计算嵌固端本工程结构计算嵌固端设置在基础顶面。1.6结构平面及整体剖面3楼高层住宅为部分框支剪力墙结构。结构平剖面布置详图1 图4。500;1200 x500200-600L200600新200-60000600J200 x50200红士=J200600L200600600200600图13#楼高层住宅标准层结构布置平面j20012001600 x1s120020001200 x2001000150010001500隆009100018001200400 x14005001200 x120062.050X22FK川22F风风标准质层亮3m剪力墙C30剪力墙抗装等级：四级挥度2 0 015F剪力增C35厚度2 0 0剪力墙抗震等级四级9F标准屋屋滨3m剪力墙C40厚度2 0 0剪力增抗宽等级：四级5F四屋屋高3m剪力墙C4520 x450焊度2 0 0-30 0500JL2500=：新2006502006006200-50009-00元儿200550=2004400200400=200 x50L200100 x002009x001600 x150040040012001200图图口川口风风风风风风风风风剪力罐抗霍等级：3F90剪力墙抗套等级：三级框支框架抗凝等级：二级裙房抗照等级：桃楼柱C35转换C50一200600200/600200500200500900002200600200 x66001200200059.10021F000t56.10020F000%53.10019F000F50.10018F00047.100文1元四44.1016F川000元000%川图图图3川川用川裙楼柱：在支柱：T00-1002100-150000-1000二层层高5.4m剪力洁C50Im，我板位于轨惠下200 x=009II200-500新200 x6006020060020060016001500120020001200-20001000150000 x00000 x80012004001200120041.10015F38.100文14F00035.10013F000%32.100000%12F29.100文11F000%26.10010F000%23.1009FDOOS20.1008F000E17.10000014.1007F四口图图图33#高层住宅剖面构为部分框支剪力墙结构，工程地址位于重庆狮子山，属于6度区，本工程为A级高度钢筋砼高层建筑，并且属于复杂结构，根据JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程（以下简称高规)第5.1.13条规定2 。需要对复杂高层建筑进行弹塑性分析，本文中，采用PKPM-SAUSACE软件对结构进行建模，进行大震作用下的动力弹塑性分析，发现结构在大震作用下屈服及破坏机制，对结构的薄弱部位进行分析，验证结构在大震作用下的抗震性能满足规范要求。2.2弹塑性分析的目的120000400400 x140012001200 x0091000000%000E001S0OSS0006（1）根据规范规定，需要对复杂高层建筑在振型分解反应谱法的基础上进行弹塑性分析，综合比较两者结构后进行设计，达到结构安全、经济合理的效果。（2)动力弹塑性分析可以考虑荷载的往复作用以及结构的动力特性。发现结构在大震过程中塑性铰的形成机制，找出结构在大震作用下的薄弱构件并对其进行加强，指导设计人员进行性能化设计，最终使结构满足大震作用下的性能目标4。立11.1005F8.100文4F5.100立3F2F-7.300文结构标高1F-16.300文航面标高400100120000 x14(3)能够对已有的重要建筑物做出正确的抗震消能评价，从而从理论上知道现有结构的抗震加固工作。160014001200-1800000-00911200120012002002弹塑性分析2.1主弹塑性分析概述3#高层住宅主体结构高度最大为7 8.35m120m，该结x250012001800二0 12 0 01200-2000120020001600图2 高层住宅裙楼2 层结构布置1400 x25001200-1801600 x14001200120000-001200-2002.3构件性能目标000-00结构构件性能目标应根据地震动参数、构件部位以及作用综合确定，并满足高规表3.11.2 的性能状况，根据构件12002000150012在地震作用下不同作用，可以将所有构件分为3类，即耗能构件、普通竖向构件以及关键构件4。底部两层剪力墙及框支框架抗震性能目标定为C级，其余构件抗震性能目标定为D级。选取3条地震波（2 条天然波，1条人工波）进行动力弹塑性分析,并根据分析结果对薄弱构件采取加强措施见表4、表5。205工程结构表4各结构构件在大震情况下性能目标性能性能构件分类继续使用的可能性目标 水准框支框架C级4修复或加固后继续使用底部加强区剪力墙关键C级4修复或加固后继续使用构件（转换层以下）底部加强区剪力墙D级5(转换层以上）非底部加普通竖向强区剪力墙构件裙楼柱耗能框架梁构件连梁转换层楼板及转D级5楼板换层上一层楼板其他位置楼板D级5表5不同构件在不同地震水准下震后性能状况5构件分类多遇地震无损坏框支框架（构件弹性）底部加强区剪力墙无损坏关键构件（转换层以下）底部加强区剪力墙（转换层以上）非底部加强区剪力墙普通竖向构件裙楼柱框架梁耗能构件连梁转换层楼板及转换层上一层楼板楼板其他位置楼板(1)地震波选择。根据高规要求2 ,选择3条地震波，根据规范选择1条人工波，2 条天然波：人工波1（1号地震波）；天然波1（2 号地震波）；天然波2（3号地震波）。（2）3条地震波水平主方向分量有效持续时间如表6 所示。表6 3条地震波的水平主方向分量有效持续时间波序号名称11号地震波22号地震波33号地震波（3）条地震波加速度时间曲线如图5所示。(4)各组地震波的平均加速度反应谱与规范反应谱的对比如图6 所示。（5）模型各个构件配筋率输入如表7 所示。206四川建筑第43卷第4期2.4材料模型及单元类型PKPM-SAUSACE软件是一个三维有限元空间弹塑性分析程序。钢材的动力硬化模型采用双线性随动硬化模型，不考虑刚度退化。钢材的强屈比为1.2 5，极限应力所对应的极限塑性应变为0.0 2 5。凝土本构关系选用弹塑性受压损伤模型，。框架梁、柱采用梁单元模拟，剪力墙、连梁和楼板采用分层壳模型。需排险大修2.53#高层住宅大震动力计算模型在Sausage软件对结构建模分析如图4所示。需排险大修D级5D级5有效持续时间/s202423.4需排险大修需排险大修需排险大修需排险大修需排险大修(构件弹性）无损坏（构件弹性）无损坏（构件弹性）无损坏(构件弹性）无损坏（构件弹性）无损坏(构件弹性）图4sausage计算模型示意设防地震轻微损坏（抗弯不屈服，抗剪弹性）轻微损坏（抗弯不屈服，抗剪弹性）轻度损坏（抗弯不屈服，抗剪不屈服）部分构件中度损坏（受剪截面满足要求，部分抗弯可屈服）中度损坏、形成塑性铰，并且部分构件损坏较严重轻度损坏（抗剪不屈服）中度损坏、形成塑性铰，部分构件损坏较严重表7 模型各个构件配筋率构件楼层（模型）剪力墙12层剪力墙3层及以上转换柱12层裙房柱12层转换层梁（按壳元）2层框架梁1层以上转换层楼板2层裙房楼板1层楼板3层楼板（核心筒区域）4层及以上0.25(X向）+0.2 5(Y向)楼板（非核心筒区域）4层及以上0.20(X向)+0.2 0(Y向)罕遇地震轻度损坏（抗剪不屈服，受剪截面满足要求）轻度损坏（抗剪不屈服，受剪截面满足要求）中度损坏（抗剪不屈服）部分构件损坏比较严重，较多构件抗弯屈服满足截面抗剪条件比较严重损坏，允许形成充分塑性铰中度损坏、形成塑性铰，部分构件损坏较严重部分构件损坏较严重配筋率/%分布筋0.5,边缘构件1.5按小震设计结果配筋按小震设计结果配筋按小震设计结果配筋按小震设计结果配筋按小震设计结果配筋0.30(X向)+0.30(Y向)0.2(X 向)+0.2(Y 向)0.25(X向)+0.2 5(Y向)某工程在罕遇地震作用下动力弹塑性分析1002.6基底剪力及层间位移角(s/uo)o分别计算结构在3条地震波作用下基底剪力及位移，X50向及Y向的计算结果如表8 所示。由表可知10基底剪力：各模型罕遇地震动力弹塑性分析基底剪力与6（a）1号地震波1005050-10010(s/uo)-100302001000.54001000.52001000.5图6各组地震波的平均加速度反应谱与规范反应谱的对比基底剪力/kNX向Y向CQC(多遇地震)10645.81号地震波45971.32号地震波50529.43号地震波67161.62.8构件性能统计构件性能见表9。综合构件损伤情况，分析结果表明：(1)框架梁：小部分无损坏，大部分处于轻微损坏状态，极少部分轻度及中度损坏，有效的起到耗能的作用；达到罕824646810（c）3号地震波图5各地震波加速度时程曲线周期：7;(2.258s)规范谱：64.33反成谐；53.95差值：-16.1.4%1.01.51.01.52.0（b）2 号地震波押期：7(2.2.585)规范诺：64.33反应谐；67.58差值：5.05%1.01.510810（b）2 号地震波121416187,(1.856s)T,(1.775)70.3573:1661.2264.14-12.98%-12.19%2.02.5（a）1号地震波博期：T,(2.2.58s)7,(1.856s)规范谱：64.33反应谐：72.82养值：13.19%-10.70%2.53.02.02.5（c）3号地震波表8罕遇地震作用下动力弹塑性分析的基底剪力及层间位移角罕遇地震动力弹塑性分析基底剪力/多遇地震CQC基底剪力X向Y向11725.344784.353497.864616.61212143.03.53.53.03.5-1416184.04.55.0T,1.775)70.3573.1662.8339.01-19.35%4.04.57.(1.856s)T41.7775)70.3573.1672.9572.143.69%-0.99%4.0-4.5.4.314.756.31620205.55.05.0182222多遇地震CQC基底剪力的比值位于3.8 2 6.3倍之间，平均值X方向为5.12 倍，Y方向为4.6 3倍，基本处于3 6 之间，满足要求。层间位移角：根据模型计算结果，结构在罕遇地震作用下弹塑性分析的最大层间位移角为1/30 0，满足规范限值（1/120），转换层最大层间位移角为1/433，满足规范限值(1/120)2。2.7结构损伤情况总结对结构结构分别在3条地震波作用下进行动力弹塑性分析动力，根据其损伤分布结果，各地震波作用下结果的损伤结果差异不大，以2 号天然波为例对结构损伤情况进行分析，图7 图12 反映出各个构件在2 号地震波作用下出现的损伤情况。性能水平严出换无挑坏性能水平严重携中度提练无娱坏最大层间位移角X向Y向1/26141/26813.821/3204.561/3005.511/330遇地震作用下性能水准5的要求。（2）框支柱：部分处于轻微损坏状态，达到罕遇地震作用下性能水准4的要求。（3)裙楼柱：部分处于轻微损坏及轻度损坏状态，达到罕遇地震作用下性能水准5的要求。207性能水平中度招坏较度损坏无描坏图7X向作用损伤（最后时刻)性能水平严重损坏重度损坏中度揽坏轻度描环轻微损坏图8 Y向作用损伤（最后时刻）结构首层的层间位移角X向Y向1/91851/99991/4661/8991/4181/13621/4071/576结构2 层的层间位移角X向Y向1/98761/99991/7701/5021/8341/6961/6791/4571/5081/4741/433工程结构框支柱裙楼柱轻微损坏，转换层的转换梁大部分处于无损坏与轻微损坏之间图9X向作用转换框架损伤性能水平中度银车轻微调车无机车图11X向地震模型2 层楼板（转换层）损伤性能水平严直银乐中厦职乐无乐图12 Y向地震模型2 层楼板（转换层）损伤（4）楼板：转换层楼板处于无损坏及轻微损坏，达到罕遇地震作用下性能水准5的要求；其余楼板绝大部分无损坏，小部分轻微损坏，达到罕遇地震作用下性能水准5的要求。（5）墙梁即用壳元模拟的转换梁，部分无损坏，超过一半处于轻微损坏情况，极少部分轻度及中度损坏，部分连梁严重损坏,达到罕遇地震作用下性能水准4的要求。四川建筑第43卷第4期框支柱裙楼桂轻微损坏，表9动力弹塑性分析构件性能水平统计转换层的转换梁大部分处于无损坏与轻微插坏之间图10 Y向作用转换框架损伤单位：%构件无损坏轻微损轻度损中度损重度损严重损类型情况坏情况坏情况坏情况 坏情况 坏情况框架梁19.6柱48.4墙梁30.7墙柱86.8楼板92.83结论通过罕遇地震（大震）作用下的结构分析，可以得出结论：(1)大震作用下弹塑性动力时程分析结果表明：本工程3高层住宅X、Y向楼层的最大层间位移角均小于规范剪力墙结构的的限值1/12 0。满足高规中表3.11.3中性能目标D(框支框架及底部2 层剪力墙为性能目标C)关于罕遇地震作用下弹塑性变形要求2 。(2)在大震作用下弹塑性动力时程分析结果表明：框支框架及相关裙楼柱基本完好，关键构件仅出现轻微损伤、局部轻度损伤；转换层以上竖向构件有不同程度的损伤，局部出现轻度和中度损伤。转换层楼板仅出现轻微损伤，其余楼板基本处于无损伤或者轻微损伤。此结果表明：在大震作用下，本工程各塔楼的各个构件在大震下均满足预定的性能水准，且转换层以下结构不先于转换层以上结构破坏。在大震作用下，结构整体抗震性能与预期塑性化过程吻合。综上所述,本工程结构整体抗震性能良好,与预期塑性化过程吻合；本工程框支框架及底部两层剪力墙能够达到预定大大震性能目标4,其余构件能够达到预定的大震性能目标5。1中国建筑科学研究院.建筑结构可靠性设计统一标准：CB50068-2018S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 18.2中国建筑科学研究院.高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3一2010S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 11.3中国建筑科学研究院.建筑设计抗震规范：GB50011-2010（2 0 16 年版）S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 10.4朱振，吴居洋.广州地铁某车辆段上盖塔楼结构设计J.广东建材,2 0 2 1(11):35-40.5胡涛，周晓光，卢文汀，等.深圳招商环贸中心T3塔楼结构设计J.建筑技术开发.2 0 2 1(1)：3-5.79.449.25313.27.2参考文献0.91.595.1000.0560.85.100001000014.200208