螺旋式竖向收进钢束筒结构抗震性能分析

2022-02-04郝雪倩李岩松韩天骄彭帅杰

河北建筑工程学院学报 2022年3期

郝勇郝雪倩陈丰李岩松韩天骄彭帅杰

(河北建筑工程学院，河北张家口 075000)

0 引言

对于超高层结构来说，水平荷载是结构设计的决定性因素.采用竖向收进能够降低超高层结构重心，是减小结构水平荷载作用效应的重要方式之一.由于体型收进是典型的竖向不规则类型，应用该方式的超高层结构在受力特点、地震破坏机理以及结构设计等方面与常规结构存在较大差异.同时，超高层建筑灾害风险更大，对结构抗震性能要求更高.因此研究体型收进超高层结构的抗震性能是结构设计必不可少的内容.

针对竖向收进结构的抗震性能，近年来很多学者对不同结构类型开展了研究.肖从真、王徽、隋晓[1-5]等人通过结构模型分析及振动台试验对体型收进的框架、框剪结构、框架核心筒结构及混合结构进行了抗震分析，对结构收进方式、收进程度及收进部位的刚度比等方面提出了设计建议.

钢束筒结构是以钢框筒为子单元，由若干子单元组合而成的束状结构体系.由于钢结构本身具有优良的抗震性能，加上束状结构形成的高效抗侧效应，使钢束筒结构成为适用于超高层建筑的结构体系.本文通过对结构模型进行小震弹性分析和动力弹塑性分析，研究了采用螺旋式竖向收进的钢束筒结构在地震作用下的变形与构件损伤情况，分析了结构抗震的薄弱部位，为钢束筒结构的抗震设计和分析提供参考.

1 结构分析模型

螺旋式竖向收进钢束筒结构模型基本信息见表1.

表1 模型基本信息

建立该钢束筒结构的有限元模型，如图1所示.所有梁、柱均采用Q420钢材，弹性模量E=2.06×105N/mm3，质量密度ρ=7850 kg/m3，屈服强度fy=420 MPa；楼板混凝土强度等级采用C30.板元细分最大控制长度为2.5 m，主梁与柱之间为铰接，裙梁与柱之间、主次梁之间为刚接，底层柱底为刚接.该模型包含2700个楼面单元，14230个梁单元，24300个次梁单元以及7310个柱单元.

图1 结构模型

2 小震弹性分析结果

SATWE采用节点协调的单元划分原则，PMSAP采用附加位移函数作为约束条件的广义协调的单元划分原则，不同单元划分协调原则可认为是不同的分析模型.对结构模型采用这两种分析模型进行结构计算并复核，在抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，地震影响系数最大值为0.08的双向地震作用下，结构计算结果见表3.结构前三周期振型图见图2，图例为相对变形值.

表2 构件截面尺寸

表3 算例模型计算指标

图2 前三周期振型图

T1和T2分别表示结构沿X方向和Y方向以平动为主的第1自振周期，T3表示结构以扭转为主的第1自振周期，三个振型图分别对应以上三个自振周期.两种分析模型计算结果相近且自振周期最大误差为8%，证明了两种建模方式的合理性及准确性.表2中可以得出，周期比、最大位移角及位移比符合规范要求；最小剪重比小于GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》[7]第5.2.5条要求，由于结构底部的总地震剪力略小于本条规定而中、上部楼层均满足最小值，则对各楼层的水平地震剪力采用了不大于1.25的增大系数进行调整；刚重比适中，说明构件截面取值合理.

结构最小刚度比为1，最小楼层受剪承载力比值为0.99，由图3、图4可见，楼层与相邻上层刚度比曲线和抗剪承载力比曲线发生突变的位置均位于结构收进层，最小比值均满足规范要求，30层、60层因构件尺寸减小，较相邻收进层突变幅度大.

图3 楼层与相邻上层刚度比曲线图4 楼层抗剪承载力比曲线

3 动力弹塑性结果分析

根据规范要求选取两条天然波CHICHI-HWA043、CHICHI-TTN024和一条人工波的主方向作为地震动输入来进行结构模型的动力弹塑性时程分析.三条地震动时程曲线见图5.根据结构的抗震设防烈度为7度，将地震波主方向加速度峰值调整为罕遇地震对应的规定加速度峰值220 cm/s2.

图5 所选地震波的时程曲线

表4给出了罕遇地震下结构X、Y向的顶层最大位移、结构的最大层间位移角及其所在楼层位置.可以看出，在7度罕遇地震作用下，结构的最大层间位移角均小于限值1/100，说明结构延性满足规范对变形能力的要求.

表4 结构顶层位移及最大层间位移角

分析结构顶点位移曲线(图6)和结构层间位移角曲线(图7)可得，不同的地震激励对结构的位移影响很大，CHICHI-HWA043波作用下的结构相对位移和层间位移角几乎是另外两条波作用下的两倍.

图6 结构顶点位移曲线图7 结构层间位移角曲线

图8和图9分别给出了不同地震波作用下结构X向的基底剪力和顶层位移时程曲线.可以看出，不同的地震激励对结构影响的最大值并不同时发生，15s前人工波对结构的作用较大，15s～40s期间CHICHI-HWA043波对结构的作用较大.其中，t=19.54s时，结构基底剪力在CHICHI-HWA043波作用下达到最大值3.34×105kN；t=24.22s时，结构顶层位移在该波作用下达到最大值1365.16mm.

图8 结构基底剪力时程曲线图9 结构顶层位移时程曲线

4 结构构件损伤及变形验算

综合考虑结构的经济性、安全性等，设定结构抗震性能目标为C级.参照JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[8]中第3.11.2条规定的结构抗震性能水准针对损坏部位的耗能构件(如框架梁、框架柱)的震后性能状况判别，对构件损伤等级进行划分：构件无损坏为1级，显示为墨绿色；轻微损坏为2级，显示为黄色；轻度损坏为3级，显示为绿色；中度损坏为4级，显示为蓝色；比较严重损坏为5级，显示为粉色；严重损坏为6级，显示为红色.

不同损伤等级对应的塑性转角限值见表5.图10(a)所示为地震波作用下依据塑性转角评估构件损伤等级的包络图.

表5 不同损伤等级对应的塑性转角限值

结构中同一部位的不同构件，可区分为水平构件和竖向构件，分别进行损伤评估.参考CECS392-2014《建筑结构抗倒塌设计规范》[9]中第5.4.4条规定的压弯破坏的结构构件基于应变的地震损坏等级判别标准，对构件进行损伤等级评估.主拉应变为εl,屈服应变为εy,εl<εy时，构件无损坏；εy<εl≤2εy时，构件轻微损坏；2εy<εl≤3.5εy时，构件轻度损坏；3.5εy<εl≤8εy时，构件中度损坏；8εy<εl≤12εy时，构件比较严重损坏；εl>12εy时，构件严重损坏.结构构件依据应变评估损伤等级包络图如图10(b)所示，图中不存在严重损坏构件.

图10 损伤等级包络图

本结构高宽比大于3，竖向构件层间弹塑性变形验算可扣除整体转动的影响.根据GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》[7]条文说明附录M.1.3中表9竖向构件对应于不同破坏状态的最大层间位移角参考控制目标，对构件进行损伤等级评估：竖向构件最大层间位移角小于1/300为无损坏，1/300～1/200为轻微损坏，1/200～1/100为轻度损坏，1/100～1/55为比较严重破坏，大于1/55为严重损坏.如图10(c)所示为竖向构件依据位移角评估损伤等级包络图.

由图10(a)可以看出，结构中部于50层处收进的框筒单元，其顶部与中心框筒单元交接处的构件损伤最严重，于20～60层之间收进的框筒单元与相邻未收进框筒单元交接处的构件次之，与图10(b)中构件出现中度损坏和比较严重损坏的位置一致.图10(b)中上述构件相邻的压弯构件有少数出现轻度损坏，多数为轻微损坏；另外，60～70层内非收进框筒单元的部分压弯构件也出现了轻度损坏.由图10(c)可知，结构中部30～60层和少数顶层竖向构件出现轻微损坏，结构上部60～95层绝大多数竖向构件出现轻度损坏.

三种评估方式下结构构件损伤程度占比见表6.由表6可见，在塑性转角评估和压弯构件应变评估下，结构整体受损程度较轻，受损构件不足2%，没有出现严重损坏的构件，结构满足预期的C级抗震性能目标；竖向构件以最大层间位移角为参考控制目标导致同层构件损伤程度一致，大大增加了损伤构件的数量，使其评估结果与前两种有较大差别.实质上竖向构件位移角评估方式反映的损伤情况是以楼层为评估单元的损伤情况，而本结构竖向收进，位于收进层的构件在同一楼层的损伤情况存在明显差异，因此该评估方式无法反映本结构的构件损伤特点，但其评估结果在划分结构总体损伤分布区域方面有一定的参考价值.

表6 结构构件的损伤等级占比

5 罕遇地震下结构的塑性发展

以CHICHI-HWA043波为例介绍罕遇地震下结构的塑性发展情况.图11给出了结构的塑性发展过程.可以看出，主要受损构件为框架梁.t=17s时，结构中以50层和60层为收进层的框筒单元与中心框筒单元交接处顶部的框架梁进入塑性，随后此处框架梁附近的位于同一框筒单元内的构件进入塑性并不断向周围发展；t=24s时，于20～40层收进的框筒单元与相邻未收进框筒单元交接处顶部的框架梁也开始进入塑性；t=25s时，最先进入塑性的框架梁及下方相邻的部分框架梁已完全破坏.