长沙中天广场基于位移抗震性能的研究

肖志 蒋耀华 王劲

摘要：文章对长沙中天广场超限高层采用PKPM中SATWE有限元进行结构计算，校核结构各抗震参数是否满足各设计规范，并采用MIDAS软件对其进行静力非线性分析，通过结构进入塑性后各数据的统计，总结出一些可用于设计的规律。

关键词：双塔连廊结构：MIDAS软件：静力非线性分析

1引言

目前，我国对超限高层建筑工程的研究工作还滞后于工程建设实践，一些超限高层建筑工程很可能存在安全隐患。本文中介绍的工程为底部裙楼上部双塔且顶部双塔之间带连廊的结构。本文采用PKPM中的SATWE分析结构的周期，扭转不规则性，结构位移，墙柱轴压比，剪重比，刚重比等，分析结构是否存在刚度或承载力突变。采用Midas程序静力非线性(Push-over)方法分析在最大控制位移下结构进入弹塑性阶段的一些抗震性能，总结出一些可用于设计的参考建议。

2工程概况

本文中着重研究的长沙某工程为框架一核心筒结构，地下3层，地上裙楼部分5层，裙楼以上为双塔结构，上部双塔质心与裙楼结构质心大于裙楼相应边长20％，裙楼长134.20m，宽88.18m，结构总高度为98.6m，标高80.55m~屋顶连接有钢结构联廊，连廊采用6个支座与主体结构相连，其中滑动支座5个，固定铰支座一个，结构嵌固端位于地下室顶部标高处。地上裙楼部分为商铺，根据《建筑工程抗震设防分类标准》按乙类建筑进行抗震设防设计，塔楼中左塔为酒店式公寓，右塔为办公楼，根据《建筑工程抗震设防分类标准》按丙类建筑进行抗震设防设计。本工程采用2005年以前规范进行设计，结构抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为||类。本工程5层以下裙楼框架、剪力墙抗震等级为二级，5层以上剪力墙抗震等级为二级，框架抗震等级为三级，与联廊相连局部层的剪力墙抗震等级为一级，框架抗震等级为二级。本工程于2006年竣工，现已交付业主使用。

图1、图2给出了裙楼三层、联廊84.150标高平面图，图3给出了建筑的南立面图，可大致了解该工程的概况。

3SATWE整体计算分析

本工程选用有限元分析计算软件SATWE对结构整体进行了小震作用下结构的反应分析，计算结果表明：

3.1结构考虑扭转耦连的以平动为主第一自振周期T=3.5238s，以扭转为主的第一自振周期为Tt为0.7558s，满足《高规》规范，结构周期合理，具备一定的抗扭刚度。

3.2SATWE位移计算结果中，地震作用下结构x、Y两个方向的顶点最大位移分别为18.80mm和33.20mm，最大层间角1／4032和1门896，风荷载作用下，x、Y两个方向的顶点最大位移分别为15.20mm和57.40mm，最大层间角1／5015和1／1268，符合规范1／1000的要求，说明结构整体刚度是合适的。

3.3SATWE计算结果楼层抗剪承载力，本层与上一层的承载力之比x向最小为0.86，Y向最小为0.74，符合规范最小0.65的要求。

4MIDAS静力非线性(PUSh—OVer)分析

4.1结构配筋设计

本工程处在6度设防区，在MIDAS软件中求得在竖向荷载、风荷载及地震荷载各荷载组合下结构构件的位移、内力等，再利用Midas中的设计模块对结构的梁、柱、墙进行配筋设计。

4.2构件铰类型、恢复力模型及推覆分析水平侧向力分布的选择

静力非线性分析法中，结构的梁、柱均采用两端带塑性铰的杆系单元，剪力墙采用墙顶和墙底带塑性铰的墙单元。梁采用默认的弯曲塑性铰M3。墙、柱采用默认的P-M-M塑性铰。构件的恢复力模型采用双线型恢复力模型，屈服后刚度取0.2倍弹性刚度。如图4所示。

利用Midas程序，选择结构自振下模态分布的水平侧向力对结构作推覆分析，本文中选择Mode2与Mode3两种模态分布的水平力侧向力对结构作推覆分析，因结构的第2模态Y方向平动因子为91.39，为Y方向平动振型，在该振型作用下节点20335的Y方向相对位移最大，故在第2模态侧向力分布下的结构Push-over分析以节点20335作为控制点，结构的第3模态x方向平动因子为97.36，为X方向平动振型，在该振型作用下节点19817的X方向相对位移最大，故在第3模态侧向力分布下的结构Push-over分析以节点19817作为控制点。Push-over分析中采用位移控制，控制节点最大位移为0.8m。

4.3最大控制位移下结构抗震性能结果分析

因随着控制点位移的增大，结构进入塑性阶段的程度更深，将出现更多塑性铰，现对结构梁、柱、墙塑性铰的数量、空间分布位置进行分析，总结规律。

4.3.1各模态侧向力下控制点位移最大时结构各构件塑性铰竖向分布

取各层已分配的梁、墙、柱单元的塑性铰总数为分母，各类型单元各状态下铰的数目作为分子，可求得各情况下塑性铰所含的比例，并对其比例进行统计。分析结果如下：

a)梁铰分布

结构梁单元在控制节点推覆达到最大位移步骤时基本处在弹性阶段，出现梁端塑性铰的杆件较少。除裙楼以外的上部标准层梁端出现塑性铰的杆件所占比例各层相差不大，无梁薄弱层，这与梁主要承受竖向荷载，且标准层各层的竖向荷载、梁单元截面大小与配筋几乎相同有关。

b)墙铰分布

结构墙单元在控制节点推覆达到最大位移步骤时进入塑性阶段的较多，详见图5、图6。其中地下3层～第5层局部墙端铰进入塑性阶段较深，R／R屈>6塑性铰数量已经超过10％，这是因为结构底部墙由竖向荷载及墙倾覆弯矩产生的轴力较大，在较大轴力、弯矩共同作用下形成P-M-M铰，但从第4层一地下3层各层非弹性铰出现比例可以看出，在非弹性墙铰占各层所定义墙铰总数的比例上，地下三层较地上四层裙楼部分要少，这是因为地下三层竖向构件墙、柱的侧向位移受到土压力的约束作用，虽地下三层的轴力较上层要大，但是其水平位移受到约束，弯矩小，这就造成轴力、弯矩共同作用下形成P-M-M铰较地上几层比例要少。另外结构在第23层(与钢结构联廊底部相连的下一层)墙端塑性铰出现较多，进入塑性阶段较深，进入塑性阶段(R，R屈，1)的墙铰已达到所定义墙铰总数的21.1％，结构在此层集中出现塑性铰应与结构在此层以上连接有钢结构联廊，出现质量突变有关。

c)柱铰空间分布分析

控制节点位移最大时柱端出现塑性铰很少，只有在与联廊底层相连层少数柱、塔楼底层少数柱底出现塑性铰，详见图7、图8。

4.3.2各模态侧向力下控制点位移最大时结构梁塑性铰各层平面分布

在两种模态侧向力推覆下，两端出现塑性铰的梁单元占梁单元总数的比例少，且结构中的次梁基本处在弹性阶段。分析结果中梁塑性铰的各层平面分布规律如下：

a)与核心筒剪力墙相连的主梁出铰较多：

b)核心筒中的连梁出铰较多；

c)连接结构周边的框架柱的梁出铰较多：

d)裙楼屋顶(第5层)与核心筒相连的梁出铰较多。

5对结构设计提出的建议

以上采用静力非线性分析(Push-over)方法对结构的弹塑性进行了分析，总结了结构在控制节点位移达到最大时结构抗震性能上的一些规律，以下就己总结的规律对结构设计提出一些可供参考的建议：

5.1竖向构件中的柱与剪力墙相比，更多的塑性铰出现在剪力墙两端，剪力墙为主要的抗侧向力构件，为抗震中的第一道防线，故更多得提高剪力墙的设计配筋是十分必要的。

5.2因与联廊底部相连层的剪力墙为承载力相对薄弱层，故应适当加大该层剪力墙的配筋，提高其强度、延性。

5.3虽地下层的竖向构件的水平位移受到土侧压力的约束，但结构核心筒部分的剪力墙在P—M—M共同作用下仍会出现塑性铰，建议地下部分的剪力墙仍应按剪力墙加强部位的要求设计。

5.4加强核心筒中连梁的抗弯承载力，提高其延性，这有利于结构的抗震耗能。

5.5连接核心筒与核心筒周边柱的梁承载力应加强，使其不过早、过甚的进入塑性阶段，这有利于结构的框架部分与剪力墙部分共同协作工作。

5.6连接结构外围柱的主框架梁易进入塑性阶段，其承载力应加强。