某高层型钢混凝土框架-核心筒结构动力时程分析

周康康 王 傲

（长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023）

框架-核心筒混合结构相比于纯框架结构，能够承受更大的侧向力作用；
和纯剪力墙结构相比，其结构空间大，结构重量轻，具有框架和剪力墙的特点，且抗震性能比这两者更好，故被大量应用于高层建筑以及超高层建筑结构中[1-2]。目前，型钢混凝土框架-核心筒混合结构已成为本专业研究的热点[3]。本文通过ETABS软件建立一个型钢混凝土框架-核心筒有限元模型，对该结构进行不同地震作用下的动力弹塑性时程分析，并对该结构抗震性能进行初步探讨研究，并提出一些设计建议。

某高层型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构原设计用途为商业办公楼，结构层数共10层，层高为4m，该混合结构的X向和Y向的尺寸分别为12m，剪力墙为普通钢筋混凝土材料，采用双向双层钢筋网，墙厚为250mm，尺寸为4m×4m，其中剪力墙南北两个方向各开一个2m×2.5m的洞口。框架柱采用长宽截面尺寸均为600mm的矩形型钢混凝土柱；
框架梁采用钢筋混凝土梁；
楼板采用钢筋混凝土材料，厚度为120mm。楼面恒载取3kN/m2，活载取2kN/m2。在8度抗震设防烈度下，Ⅱ类场地，周期为0.4s，结构阻尼比为0.05。

本文通过ETABS软件对该高层混合结构进行数值建模（见图1）和地震作用下的弹塑性动力时程分析。ETABS是一个以结构设计和分析为主的计算机软件，以有限元分析技术为基础，可以对不同体系的结构进行不同类型的分析计算和设计，分析结果合理可靠[4]。在本次建模过程中，为了简便计算，楼板采用膜单元（刚性楼板）；
剪力墙采用分层壳单元（Layer）模拟；
型钢柱采用ETABS中SD截面进行设置。

图1 ETABS有限元分析模型

模态分析用来计算结构的振动特性，是动力弹塑性时程分析的基础。《建筑抗震设计规范》中要求的计算振型数时应使振型参与质量不小于总质量的90%。从模态分析结果可以得到：结构的第一振型为Y方向的平动，其周期为0.895s；
第二振型为X方向的平动，其周期为0.883s；
第三振型为扭转振动，其周期为0.631s。结构以扭转振型为主的第三振型与平动为主的第一振型周期的比值为0.705，满足《高层建筑混凝土技术规程》[5]对该比值不应大于0.8的规范要求。说明扭转效应对该结构影响不明显，故在计算过程中可不考虑扭转效应的影响。本结构取前15阶振型计算时，可知X、Y、Z方向振型质量累计参与分别为98%、96%、99%，满足要求。故可取前15阶振型进行分析。

4.1 地震波的选取

《建筑抗震设计规范》[6]中规定，在进行结构时程分析时，必须选用不少于2组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线。按照场地条件和设计地震分组选取地震波，且其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。故本结构时程分析最终采用PEER地震波库中的三条地震波，分别为RSN40_BORREGO_A-SON033波（以下简称N40波）、RSN67_SFERN_ISD014波（以下简称N67波）和一条人工波。根据《建筑抗震设计规范》，由于该场地抗震设防烈度为8度，因此在对结构进行多遇和罕遇地震作用下的动力时程分析时，需分别将其加速度峰值调整为700mm/s2和4000mm/s2，持续时间为40s，时间间隔为0.02s。图2为其调整好的罕遇地震下三条地震波的加速度时程曲线。

图2 选取的三条地震波罕遇地震下加速度时程曲线

4.2 地震波输入方法

本结构在进行地震作用下的时程分析时考虑了每组地震波的双重作用，即考虑双向地震的作用，各地震分量输入沿X、Y向分别输入。此次输入以X向为主，即X向与Y向的加载系数分别为1和0.85。

5.1 多遇地震作用下的弹塑性时程分析

将以上三种地震波的峰值加速度调幅至规范规定的8度多遇地震下的加速度700mm/s2，作为结构的地震动输入。在多遇地震波N40波作用下，结构在19.96s时的最大基底剪力为9526.4kN，最大层间位移角为1/1819，在多遇地震波N67波作用下，结构在20.16s时的最大基底剪力为13690.22kN，最大层间位移角为1/1184，在多遇地震波人工波作用下，结构在19.62s时的最大基底剪力为10106.58kN，最大层间位移角为1/1679，三种地震波下的最大层间位移角值均小于规范规定的多遇地震下型钢混凝土框架-核心筒的最大层间位移角1/800的规定，说明结构在多遇地震下处于弹性状态，满足“小震不倒”的抗震设防要求。

5.2 罕遇地震作用下结构弹塑性动力时程分析

5.2.1 基底剪力时程分析

将以上三条地震波的峰值加速度调幅至规范规定的8度罕遇地震下的加速度4000mm/s2，分别对结构进行动力弹塑性时程分析。根据计算结果绘制图3，由图3可知，采用N40波对结构进行动力弹塑性时程分析时，得到结构的最大基底剪力为30197.86kN，对应的时间为29.96s；
采用N67波对结构进行动力弹塑性时程分析时，得到结构的最大基底剪力为33983.28kN，对应的时间为29.82s；
采用人工波对结构进行动力弹塑性时程分析，计算得到结构的最大基底剪力为32014.41kN，对应的时间为19.7s。

图3 三种地震波下的基底剪力时程曲线

5.2.2 顶点位移时程分析

采用N40波对结构进行动力弹塑性时程分析，根据分析结果绘制图4。由图4可知，结构的顶点位移最大为94.57mm，对应的时间为20.12s；
采用N67波对结构进行动力弹塑性时程分析，可知结构的顶层位移最大为123.38mm，对应的时间为20.9s；
采用人工波对结构进行动力弹塑性时程分析，计算得到结构的顶层位移最大为106.47mm，对应的时间为19.72s。

图4 三种地震波下的顶点位移时程曲线

5.2.3 最大弹塑性层间位移角分析

由图5可知：采用N40波计算得到的结构的最大层间位移角为1/347；
采用N67波计算得到的结构的最大层间位移角为1/274；
采用人工波计算得到的结构的最大层间位移角为1/298。三条地震波得到的各楼层最大层间位移角变化趋势大致相同，最大层间位移角基本都出现在结构中部，满足规范规定的结构在8度罕遇地震下的最大层间位移角不大于1/100的要求。

图5 结构在罕遇地震作用下的最大层间位移角曲线

5.2.4 结构塑性铰

由上述分析可知，结构在N67波下的地震作用最为明显，故取其中一条地震波N67波对结构进行动力弹塑性时程分析，以塑性铰为例，说明结构在罕遇地震下塑性铰的出现及分布。分析结果可知：结构在4s时开始在中部出现塑性梁铰，随着时程分析的进行，在10s左右结构下半部出现大量塑性梁铰，20s时结构上部开始出现塑性铰，下部的梁基本都进入了塑性阶段，40s时大部分框架梁基本上进入了塑性阶段，而从始至终型钢混凝土框架柱未出现塑性铰，说明型钢混凝土柱始终处于弹性状态，体现了结构设计的“强柱弱梁”的要求。

从以上结果分析可知，尽管结构在罕遇地震作用下出现了一定量的塑性梁铰，但型钢框架柱并未出现塑性铰，说明框架柱结构处于弹性阶段，结构不会发生倒塌现象。并且从结构的最大层间位移角和基底剪力指标来看，结构仍具有比较好的承载能力和延性。据此可说明，该型钢混凝土框架-核心筒结构能够承受8度罕遇地震的作用，满足“大震不倒”的设防要求。

5.2.5 核心筒剪力墙

选取N67波对该结构核心筒进行弹塑性时程分析，以其应变结果来说明核心筒的变化。选取结构在顶层位移最大值时，在29.9s时对应的分层壳剪力墙的应变值。分析结果如下：核心筒在底层的应变最大，尤其在核心筒底部发生了严重破坏，最大应变为0.00485，大于混凝土的极限应变，说明核心筒底部混凝土已完全破坏。结构中上部应变较小，未超过峰值应变，中上部处于不屈服状态。因此，可通过增大底部核心筒的厚度来改善该状况。

本文通过选取三条地震波对型钢混凝土框架-核心筒混合结构进行模态分析、多遇地震和罕遇地震下的弹塑性动力时程分析，得出如下结论：

（1）在进行模态分析时，结构的第一阶模态为沿Y方向的平动，对应的平动周期值为0.895s；
第二阶模态为沿X方向的平动，对应的平动周期值为0.883s；
结构第三阶模态为沿Z方向的扭转模态，对应的扭转周期值为0.631s；
第一阶扭转周期与第一阶平动周期之比为0.705，满足规范限值要求。

（2）在8度多遇地震作用下，结构构件未出现损坏情况，满足“小震不坏”的要求。多遇地震作用下最大层间位移角为1/1184，满足规范的要求。

（3）在8度罕遇地震作用下，塑性铰基本出现在框架梁端部，框架柱未出现塑性铰，满足规范中“强柱弱梁”的设计要求。罕遇地震波作用下的最大层间位移角为1/274，满足规范要求的限值。

（4）在所选取的8度罕遇地震波作用下，除核心筒的底部出现部分压碎外，其他竖向承重构件均未产生破坏，满足“大震不倒”的抗震设防要求。

（5）在型钢混凝土框架-核心筒混合结构中，在地震波作用下，结构的受力主要在中下部，以核心筒作为第一道防线，框架结构作为第二道防线。故在设计过程中，应适当提高核心筒下面几层的厚度，用以增强核心筒的强度。总体而言，在高层及超高层设计中，可优先考虑型钢混凝土框架-核心筒结构。

猜你喜欢弹塑性层间型钢基于超声检测的构件层间粘接缺陷识别方法测控技术(2021年10期)2021-12-21矮塔斜拉桥弹塑性地震响应分析山东交通科技(2020年1期)2020-07-24莱钢型钢265m2烧结机高效生产实践山东冶金(2019年5期)2019-11-16莱钢低成本加铌Q345B热轧型钢的试制开发山东冶金(2019年3期)2019-07-10莱钢型钢1#～4#转炉铁合金控制系统应用山东冶金(2018年5期)2018-11-22弹塑性分析在超高层结构设计中的应用研究江西建材(2018年4期)2018-04-10基于层间接触的钢桥面铺装力学分析上海公路(2018年3期)2018-03-21结合多分辨率修正曲率配准的层间插值光学精密工程(2016年5期)2016-11-07大段合采油井层间干扰主控因素研究西南石油大学学报(自然科学版)(2015年4期)2015-08-20考虑变摩擦系数的轮轨系统滑动接触热弹塑性应力分析中国铁道科学(2015年5期)2015-06-21

推荐访问:型钢 混凝土 框架