某超限高层建筑结构动力弹塑性分析研究

李建荣 高 群 孙业华

(中国瑞林工程技术有限公司，江西 南昌 330031)

某超限高层建筑结构动力弹塑性分析研究

李建荣 高 群 孙业华

(中国瑞林工程技术有限公司，江西 南昌 330031)

对某超限高层建筑在罕遇地震下结构动力弹塑性响应特性进行了分析，研究了结构在大震下关键部位构件塑性发展情况及破坏特征，评估了在大震下结构的抗震安全性能，对工程抗震设计提出了合理化建议。

超限高层建筑，动力弹塑性，抗震设计

1 工程概况

某工程位于南昌市，由一栋58层超高层办公楼、一栋25层高层办公楼以及4层商业广场组成(见图1)；其中，超高层办公楼屋面标高为249.7 m，檐口高度为271.9 m，平面尺寸为43.8 m×43.8 m，结构采用框架—核心筒结构体系，属超B级高度高层建筑，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]第3.11.4条：高度超过200 m时，应采用弹塑性时程分析方法进行计算。本工程超限情况：1)房屋高度超B级高度超高18.9%，属于超B级高度的高层建筑；2)结构Y方向上部楼层收进后的水平尺寸小于下部楼层水平尺寸的75%，属竖向不规则。

2 弹塑性时程分析

2.1 计算模型

本工程采用Midas Building 2013软件进行弹塑性动力时程分析计算，结构模型考虑了几何非线性、材料非线性等，考察结构在大震下的塑性变形能力和耗能能力。

1)材料本构关系[2]。混凝土本构关系采用《混凝土结构设计规范》[3]附录C中的单轴受压应力—应变本构模型；钢筋本构关系采用双折线本构模型;剪切本构关系采用三折线模型。

2)滞回模型[2]。混凝土框架柱、梁使用具有非线性铰特性的梁柱单元，滞回模型采用集中铰模型，梁铰采用修正武田三折线模型，柱铰采用随动硬化三折线模型；非线性混凝土剪力墙单元采用纤维模型。

2.2 计算方法

对于结构非线性运动方程采用Newmark-β直接积分方法，数值计算运用完全牛顿—拉普森法(Newtom-Raphson)进行迭代收敛计算直至满足收敛条件，考虑P—Δ效应的影响，采用瑞利阻尼计算结构的阻尼比。

2.3 地震波的选择

本工程抗震设防烈度6度，Ⅱ类场地，设计地震第一组，地震安全性评价报告给出大震下特征周期Tg=0.45 s，罕遇地震下选取了3条地震波(由安评报告及某地震波专业公司提供。其中有2条天然波L0523,L0640，1条人工波L645-2)，地震波时间间距0.02 s，输入地震波峰值加速度最大值为125 cm/s2，结构初始阻尼比取0.05；地震波加速度反应谱曲线与抗震规范反应谱比较见图2(限于篇幅仅给出L0523的情况)。

3 弹塑性时程结果损伤分析及性能评价

3.1 弹塑性结果整体评价

结构在大震地震波(L0523较为不利状态)作用下，在X,Y两个方向上结构弹塑性最大层间位移角分别为1/318,1/315；均满足规范规定的结构薄弱层弹塑性层间位移角限值均小于1/100的规定。在初始荷载的作用下，外框架柱、框架梁及核心筒剪力墙均处于弹性状态；在大震地震波作用下，大部分外围框架柱、梁基本上保持不屈服状态，部分框架柱铰、框架梁铰进入压弯开裂而不屈服状态，属轻微塑性变形，少部分的竖向收进部位框架梁进入屈服及屈服后状态；底部加强区核心筒外围剪力墙均处于不屈服状态。说明该结构可以满足“大震不倒”的抗震设防目标。

3.2 结构的损伤破坏情况及性能评价

下面以较不利情况(天然波L0523作用下)为例，对构件性能进行评价。

1)框架塑性铰状态。框架柱塑性铰随着地震波时间的增长，其塑性铰由顶部向下部发展情况越来越明显。图3给出了外框架柱在地震波作用下发生最大层间位移角时刻(X向)塑性铰的发展情况，总体上约51%的框架柱铰进入压弯开裂而不屈服状态，属轻微塑性变形，未见有框架柱达到屈服状态；图4给出了框架梁在发生最大层间位移角时刻(Y向)塑性铰的发展情况，大部分的框架梁铰进入开裂而不屈服状态；仅中上部竖向收进处约4.6%的框架梁进入屈服或屈服后状态，未见有框架梁达到极限状态。

2)核心筒剪力墙损伤状态。由图5可以看出核心筒剪力墙在地震波作用下发生最大层间位移角时刻混凝土剪切应变损伤情况：大部分剪力墙剪切应变处于不屈服状态；仅约2.1%墙肢达到屈服及屈服后状态，约0.3%剪力墙混凝土剪切应变达到极限剪切破坏状态，该部分主要集中在中上部楼层与连梁相互作用比较明显的墙肢边缘、局部刚度突变和应力集中等原因引起，整个核心筒剪力墙中的钢筋未出现屈服；核心筒连梁仅约20%连梁混凝土剪切应变达到极限剪切破坏状态，整个核心筒连梁中的钢筋约0.3%出现屈服，其他均处于弹性状态。说明连梁在大震下起到了“保险丝”的作用，先于墙肢破坏而后进入耗能阶段，可认为大震下核心筒整体性能良好。

4 结语

通过对本超限高层框架—核心筒结构在罕遇地震作用下弹塑性时程分析，可以得出如下结论：1)在罕遇地震下结构弹塑性最大层间位移角均小于1/100，满足规范规定的结构薄弱层弹塑性层间位移角限值规定，满足“大震不倒”的抗震设防目标。结构连梁首先出现剪切破坏，结构整体刚度开始减弱，结构进入耗能阶段；随着结构损伤不断累积，部分框架也出现轻微的塑性而进入耗能阶段，核心筒外围剪力墙基本处于不屈服阶段，仅核心筒内分隔墙局部进入塑性；说明结构满足有多道抗震防线的设计要求。2)通过对框架梁柱出铰顺序及剪力墙损伤状态分析，可以对结构薄弱位置提出合理的加强措施：a.为提高外框架柱抗震承载能力的延性，地下2层～地上16层采用了型钢混凝土柱；b.在竖向收进层处，提高相邻上下层剪力墙的边缘构件的配筋率和水平、竖向分布筋的配筋率。

[1] JGJ 3-2010，高层建筑混凝土技术规程[S].

[2] 北京迈达斯技术有限公司.结构大师非线性分析技术手册[Z].2013.

[3] GB 50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

Research on dynamic elastic-plastic analysis of the overrun high-rise building

LI Jian-rong GAO Qun SUN Ye-hua

(China Ruilin Engineering Technology Co., Ltd, Nanchang 330031, China)

The paper analyzes dynamic elastic-plastic response of the overrun high-rise building under rare earthquake, studies plastic developing conditions and damage features of critical structural parts, evaluation of the seismic safety performance of the structure under large earthquake, and finally puts forward rational seismic design suggestions.

overrun high-rise building, dynamic elastic-plastic analysis, seismic design

1009-6825(2014)36-0029-02

2014-10-12

李建荣(1972- )，男，高级工程师,国家一级注册结构工程师； 高 群(1968- )，女，工程师； 孙业华(1980- )，男，硕士，高级工程师，国家一级注册结构工程师

TU313

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