合肥华润中心动力弹塑性分析

2013-08-22邵建伟

山西建筑 2013年14期

邵建伟

(香港华艺设计顾问(深圳)有限公司，广东深圳 518031)

1 工程概况

合肥华润中心项目是一个综合商业办公建筑群，占地60 419 m2。扩大地下室共3层，长278m，宽206m，埋深约15.4m。地上裙房6层，西面2号塔楼地上44层，结构高度 178.6 m，建筑面积85 268.3 m2。东面1号塔楼地上56层，结构高度250 m，建筑面积126 352.9 m2。结构设计基准期为50年，抗震设防烈度7度，基本地震加速度为0.10g，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，抗震设防类别裙房顶层以下为乙类，裙房以上为丙类。

本结构特点:

1)1号塔楼为超过规范规定B级高度复杂高层结构，2号塔楼为超过规范规定A级高度复杂高层结构;

2)2号塔楼在22层和36层位置下部部分核心筒结构墙转换成上部框架柱;1号塔楼在40层下部部分核心筒结构墙转换成上部框架柱;

3)1号塔楼1层～37层层高4.2 m(与裙房相连的几层及设备层除外)，41层以上标准层层高3.6 m，中间38层～40层层高7 m用于酒店大堂，41层楼层核心筒外无楼板导致部分框架柱一个方向计算长度为14 m。

2 结构弹塑性模型建立

本次动力弹塑性时程分析采用Computer and Structures，Inc的三维非线性结构分析软件Perform3D，通过地震反应后抗震“能力”与地震目标性能“需求”的比较来判断结构是否满足结构抗震性能目标的要求。在本结构的弹塑性分析过程中，考虑了几何非线性及材料非线性的影响。

1)材料本构。

Perform3D模型中采用双线性随动强化模型模拟钢筋和钢材，混凝土材料轴心抗压强度标准值按《混凝土结构设计规范》表4.1.3取值，不考虑混凝土的受拉承载力。保守考虑，不考虑混凝土截面内横向箍筋的约束效应，采用规范建议的素混凝土参数。

2)结构单元选取。

本工程分析中，利用纤维墙元模拟剪力墙、在杆单元设置集中塑性铰来模拟框架柱、连梁和框架梁的工作性能。剪力墙墙元混凝土纤维被分成6根纤维单元，分布钢筋被分成3根纤维单元，分布钢筋的面积通过配筋率来考虑。本结构底部采用了型钢混凝土柱，上部采用混凝土柱，柱构件的PMM塑性铰属性通过CSICol截面设计器计算所得，配筋根据小震和中震计算结果中配筋较大值计算得到。通过在框架柱端部设置PMM铰，可以准确模拟去柱受弯屈服工作性能。采用SAP2000截面设计器计算截面的弯矩曲率属性，然后输入Perform3D中进行杆件塑性铰属性定义，即分别在梁的两端设置弯矩铰和梁中部设置剪切铰。框架梁主要考虑主轴M铰，根据上述方法得到弯矩曲率属性后在梁两端设置弯矩铰。

3)性能水准及检验标准。

ATC-40将所有构件的力—位移模型归纳为四个阶段，即弹性段(AB)、强化段(BC)、卸载段(CD)、破坏段(DE)。混凝土构件的性能点IO，LS，CP对应的弹塑性位移(横坐标)和力(纵坐标)的限值均来自ATC-40。本次分析以结构强度和变形能力小于规定的CP状态为目标，结构变形能力参考最新的中国规范和ASCE41-06，分别设置各类结构构件从IO状态到CP状态各阶段的性能水准。

4)地震波工况输入。

重力荷载工况与地震波的输入分两步进行:a.激活P-Δ按钮，施加重力荷载代表值;b.输入地震波时，依次选取结构X向或Y向作为主方向，另一个为次方向，分别输入三组地震波的两个分量记录进行计算。结构阻尼比取0.05，峰值按GB 50011-2010建筑抗震设计规范的规定取220 gal。主方向和次方向输入地震峰值按1∶0.85 进行调整。

3 动力弹塑性分析结果

3.1 模型校核

在Perform3D中包含了所有主要的抗侧力构件如核心筒、连梁、型钢柱和框架钢梁。在非线性分析之前，比较了Perform3D，Etabs以及Satwe模型的荷载、质量、基本周期和振型。各程序的计算结果均比较接近，误差在工程允许的范围内，如表1所示。

表1 Satwe，Etabs，Perform3D 计算模型校核

3.2 剪力比较

由表2可以看出，罕遇地震作用下结构的基底剪力约为多遇地震工况的5倍～6倍，结构基底剪力在一个比较合理的水平，表明结构的刚度配置比较合理。在罕遇地震作用下结构的刚度存在一定的退化，但退化程度不会导致结构基底剪力相应减小。

表2 罕遇地震作用下基底剪力对比

3.3 变形分析

表3 罕遇地震作用下结构变形情况对比

由表3可以看出，1号塔楼最大顶点位移为1 322mm，约为全楼高度的1/189，而2号塔楼最大顶点位移为834 mm，约为全楼高度的1/213，由此可以看出结构具有较好的弹塑性变形能力。两个塔楼的最大层间位移角均小于1/100，满足规范要求，结构没有产生较大的弹塑性变形，在罕遇地震作用下结构不会发生脆性坍塌破坏。

3.4 结构损伤情况

罕遇地震作用下结构的弹塑性时程响应历程如下:1)结构在地震发生的最初一段时间内表现为弹性;2)中部部分连梁开始发生塑性转动;3)部分楼面梁出现屈服，大部分连梁出现塑性转动;4)中部墙柱转换位置框架柱出现塑性转动，核心筒顶部少量墙体受拉开裂;5)底部核心筒墙体以及中部墙柱转换位置剪力墙局部开裂;6)顶部少数柱出现受拉损伤，多数柱保持弹性;7)大部分连梁塑性进入屈服状态;8)墙体开裂进一步发展，底部约束区墙体部分钢筋屈服。下面将列举部分计算结果来反映在罕遇地震作用下结构关键构件受力状态。

从图1可以看出，剪力墙混凝土受拉开裂发展较为均匀，剪力墙受力较大的位置在结构底部、结构墙柱转换位置、中部酒店大堂附近楼层及结构顶部;整体钢筋应力不大，只有底部少量墙体以及中上部酒店大堂附近楼层钢筋受拉屈服，总体来说，核心筒墙体基本不出现受压损伤和剪切破坏，核心筒墙体满足性能水准目标。

结构中部部分剪力墙出现无损伤主要原因在于该位置剪力墙厚度从下部700 mm变化到400 mm，而且下面3层还设置部分型钢(结构层高从7 m变化到4.6 m，为了满足规范规定的楼层刚度比要求而设置)，该位置下部墙比上部墙刚度较大。另外，结构中部墙柱转换位置是设计的关键部分，转换的剪力墙均出现少量的受拉屈服和受剪屈服，应加强该部分的抗震构造措施。

从图2可以看出，塔楼顶层部分柱构件由于轴压力较小，会出现受拉屈服，但拉应力相对较小，构件塑性发展程度较轻，只进入LS阶段;在中部酒店大堂楼层以上两层，由于层高、柱截面变化以及柱内型钢取消，部分框架柱进入CP状态;结构中部墙柱转换位置，随着大部分连梁和框架梁出现塑性转动，该位置的框架柱比其他位置较早地出现塑性转动，但塑性发展较轻，该位置框架柱没有进入CP状态。设计时应注意楼层刚度变化对框架柱受力的影响，加强配筋。