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深圳证交所大厦动力弹塑性分析
来源:建筑钢结构网  作者:王启文 周斌  时间:2013-12-02   关键词:深圳证交所大厦 动力弹塑性分析
摘要:深圳证交所大厦为超B级高度的超限高层建筑,存在侧向刚度不规则、竖向体型不规则和抗侧力构件不连续等三项结构不规则。为评估结构在大震下的性能

摘 要:深圳证交所大厦为超B级高度的超限高层建筑,存在侧向刚度不规则、竖向体型不规则和抗侧力构件不连续等三项结构不规则。为评估结构在大震下的性能,本文基于ABAQUS程序和混凝土塑性损伤模型,利用自行开发的前处理转换程序和材料用户子程序,对结构进行了动力弹塑性时程分析,给出了在大震场地波和EL-Centro波作用下结构变形、关键构件的塑性损伤、以及结构整体弹塑性反应。结果表明,采取抗震加强措施后结构设计能满足“大震不倒”的抗震性能目标要求。

关键词:超限高层建筑;塑性损伤模型;弹塑性时程分析;抗震性能目标

1 引言

深圳证券交易所运营中心位于深圳市福田中心区,总建筑面积约26.35m2。主体地上46层,结构总高度236.95m;地下室3层,埋深15.35m。主体采用钢骨混凝土框架柱-钢框梁-钢筋混凝土筒体混合结构体系,悬挑抬升裙房采用钢桁架,建筑效果如图1所示。

本工程属超B级高度的抗震超限高层建筑,存在侧向刚度不规则、竖向体型不规则和竖向抗侧力构件不连续等三项结构不规则。根据超限审查的意见采取了相应的抗震加强措施。为评估加强后的结

构在大震下的抗震性能,本文利用大型有限元程序和自主开发的用户子程序对该结构进行了大震下的动力弹塑性分析。

 

 1 深圳证交所大厦建筑图

2.动力弹塑性分析原理

2.1 分析方法及目的

本文采用基于显式积分的动力弹塑性时程分析方法,利用ABAQUS程序,直接模拟结构在地震作用下的非线性反应,包括结构的破坏情况和倒塌形态。施工模拟阶段采用ABAQUS/STANDARD求解器,地震作用阶段采用ABAQUS/EXPLICIT求解器。前处理利用自行开发的转换程序,模型分析采用自行开发的材料用户子程序。

大震下结构弹塑性分析目的是:1)研究结构在罕遇地震作用下的变形形态、构件的塑性及其损伤情况,以及整体结构的弹塑性行为,研究指标包括:最大顶点位移、最大层间位移以及最大基底剪力等;2)根据以上研究结果,对结构的抗震性能给出评价。

2.2材料本购

1)钢材采用双线性随动硬化模型,如图2所示,在循环过程中,无刚度退化,但考虑了包辛格效应。钢材的强屈比设定为 1.2,极限应力所对应的极限塑性应变为 0.025


2 深圳证交所大厦钢材随动硬化模型

2)混凝土采用塑性损伤模型,该模型可以分析存在微裂缝和微空洞的有损伤材料,以及这些损伤的扩展与演变,直至宏观破坏形成的全过程。该模型以损伤系数作为构件进入塑性及破坏程度的判断标志,能够考虑地震作用过程中循环荷载作用下裂缝闭合所引起的刚度恢复效应。

3 混凝土拉压刚度恢复模型

ABAQUS的混凝土损伤模型理论主要来自LublinerLee等人[1],其核心是假定混凝土的破坏形式是拉裂和压碎,混凝土进入塑性后的损伤分为受拉和受压损伤,分别由两个独立的参数控制,以此来模拟混凝土中损伤引起的弹性刚度退化。当单元达到塑性应变的极限值时,认为完全损伤,残余刚度近乎消失

 

4  (深圳证交所大厦)混凝土受拉应力-应变曲线及损伤参数


混凝土受压应力-应变曲线及损伤参数(动力弹塑性分析)

根据文献[2]附录C中的混凝土应力应变曲线并参考相关文献,基于能量等效假设可推出受压、受拉损伤因子和非弹性应变的关系分别如图6、图7所示。

受压损伤因子-非弹性应变

受拉损伤因子-非弹性应变

钢管混凝土柱核心混凝土或箍筋约束核心混凝土模拟采用Mander 约束混凝土模型[3]

2.3单元类型

梁、柱采用ABAQUS中的B31单元,考虑塑性区发展。钢筋混凝土截面或钢骨混凝土截面不考虑钢筋或型钢与混凝土间的相对滑移,纤维梁单元截面模型如图8所示。

 

纤维梁单元截面模型(动力弹塑性分析)

剪力墙采用S4R单元,楼板采用S4RS3R单元。剪力墙和楼板内的钢筋采用rebar单元,该单元可以考虑多层钢筋布置。边缘构件和暗柱配筋采用箱型截面构件模拟。跨高比小于5 的连梁,梁单元B31模拟跨高比大于5的连梁。

2.4 地震波选用

地震波[4]按三向地震分量输入,三向地震波的峰值之比为XYZ=10.850.65。场地波CBD(如图9)中X向峰值208Gal,持续时间30sEL-Centro波(如图10X向地震波峰值220Gal,持续时间为30s

 

场地波

 

10  EL-Centro波(动力弹塑性分析)

从图11可知,长周期振型中,EL-Centro波加速度反应谱比规范反应谱低较多,而场地波加速度反应谱与规范反应谱接近。

11 EL-Centro波、场地波加速度反应谱与规范反应谱

3分析模型与结构抗震性能指标

3.1 分析模型

ABAQUS模型从ETABS导入,如图12所示。梁、剪力墙和楼板单元长度分别为1.2m1m 1.5m左右。构件配筋取施工图配筋结果。重力荷载代表值和质量源由转换程序自动导入。

 

12  ABAQUS有限元模型

3.2 结构总体变形指标

弹塑性时程分析过程能够完成而不发散,结构的最终状态仍然竖立不倒,结构的最大层间位移角小于规范[5]限值1/100

3.3关键构件性能评估

1)混凝土受压损伤可以分为三个阶段:无损伤、轻微损伤和严重损伤。无损伤阶段为混凝土弹性阶段,损伤因子为0;损伤开始阶段为界限弹性~峰值强度阶段,损伤因子范围约0.00.6;严重损伤阶段则为混凝土超过峰值强度后,混凝土强度及材料弹模迅速降低,损伤因子范围约0.60.99

 2)混凝土是脆性材料,受拉后容易开裂。本文主要从混凝土内置钢筋的主拉塑性应变去评估钢筋混凝土受拉性能。

3)允许部分剪力墙出现抗拉和抗压塑性损伤,但主承重墙肢的抗压塑性损伤达到 0.9 的区域不应超过截面高度的1/2,以保证其仍具有竖向承载能力。剪力墙约束边缘构件中钢筋的塑性应变小于0.025 

4)底部加强区外框柱不应出现过大的混凝土受压损伤和钢筋塑性应变,允许其余梁柱混凝土出现刚度退化,但主框架梁、柱混凝土抗压弹性模量退化值不应超过80%,以避免梁端或柱端混凝土完全压碎。钢筋的塑性应变应小于0.025

5)允许楼板混凝土出现抗拉和抗压塑性损伤,但受力跨方向不应有1/3 以上楼板单元抗压塑性损伤达到 0.9,开裂后楼板仍应保持承担竖向荷载的能力。

4 弹塑性计算结果及分析

从核心筒时程响应(具体略)可以看出,EL-Centro波作用下结构响应比场地波的响应小,这与图11EL-Centro波和场地波加速度反应谱与规范反应谱比较的结果相一致。为节省篇幅,在下面梁、柱、板和剪力墙性能评估中,主要对场地波作用下的结果进行分析。

4.1基底剪力


13  X方向基底剪力时程曲线

14 Y方向基底剪力时程曲线

EL-Centro波作用下X方向最大基底剪力为131MN,出现在5.4s时刻;Y方向最大基底剪力139MN,出现在5.4s时刻;CDB场地波作用下X方向最大基底剪力为194MN,出现在14.4s时刻;Y方向最大基底剪力145MN,出现在14.85s时刻。

4.2 顶点位移


15  X方向顶点位移时程曲线

16  Y方向顶点位移时程曲线

17  裙房悬挑端Z方向时程曲线

4.3层间位移角

 

18  X方向层间位移角

 

19  Y方向层间位移角

最大层间位移角、出现时刻及对应楼层 

 

最大层间位移角为1/147满足规范1/100限值要求。

4.4  外框柱、梁损伤及钢筋塑性应变

 

20 外框柱混凝土受压损伤(角柱轻微损伤)

 

21 外框柱钢筋塑性应变(无塑性应变)

 

22  外框柱型钢塑性应变(无塑性应变)

23   外框钢梁的塑性应变

 

24   抬升裙房主桁架X向钢弦杆塑性应变

 

25 主桁架钢斜腹塑性应变(无塑性应变)

框架梁、柱性能评价:1)在罕遇地震作用下,外框角柱混凝土出现轻微受压损伤,而其他柱混凝土没有出现受压损伤,柱内型钢和钢筋未出现塑性应变,处于弹性状态,外框柱的抗震承载力足够。2)主体结构外框钢梁出现塑性应变,主要集中在25层以上梁中,大部分塑性应变值在0.006左右,远小于0.025,且采用的是钢梁,延性足够。

 

26  10层楼板受压损伤

27  10层楼板受拉损伤

楼板抗震性能评价:楼板受压损伤值都较小,第10层楼板受拉开裂比较明显,主要原因是楼板荷载较大,对于楼板开裂,加强配筋,保证板内钢筋塑性应变在规定范围。

4.5 剪力墙损伤

 

28  核心筒剪力墙平面布置和轴线编号

29  T01轴墙肢塑性损伤(左为受压损伤,右为受拉损伤)

30  TB轴墙肢塑性损伤(左为受压损伤,右为受拉损伤)

 

31 TG轴墙肢塑性损伤(左为受压损伤,右为受拉损伤)

  

32  核心筒钢筋主拉应变

(红色为主拉应变值大于0.002,主要集中在连梁)

 

剪力墙抗震性能评价:1)剪力墙塑性损伤主要发生在连梁处,主承重墙肢基本完好。TBTG轴墙肢受压损伤主要是墙肢平面外与短肢墙连接;2)剪力墙钢筋主拉塑性应变大于0.002的部位主要出现在连梁上,说明主承重墙肢内钢筋基本处于弹性状态,剪力墙抗震承载力足够。

5

1)外框架钢骨混凝土柱的型钢未出现塑性,柱内钢筋也未出现塑性,混凝土仅在角柱处出现轻微受压损伤,钢骨混凝土柱抗震承载力仍有较大富余;外框钢梁在上部出现塑性,钢梁塑性应变值在0.006左右,远小于0.025

2)抬升裙楼钢主桁架和底部钢斜撑没有出现塑性应变,处于弹性阶段,抗震承载力足够;主楼转换钢桁架少数杆件出现轻微塑性应变,但对竖向承载力无影响;

3)核心筒剪力墙的主要损伤均在连梁处,主承重墙肢基本完好,剪力墙内钢筋基本处于弹性状态,仅有连梁内钢筋进入塑性,剪力墙的抗震承载力足够。

4)在考虑重力二阶效应和大变形的情况下,结构在完成30s动力弹塑性时程分析后仍保持直立,结构层间位移角满足规范限值要求。结构整体满足“大震不倒”的抗震设防要求。

5)本工程大震动力弹塑性分析方法及结果可为同类工程的抗震性能设计提供参考。

 

参考文献

[1] Jeeho Lee, Geogory L. Fenves. Plastic Damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structures[J]. Journal of Engineering Mechanics, 1998, 124(8).

[2] GB50010-2002  混凝土结构设计规范[S].

[3] ManderJ.B,Priesley M.J.Observed Stress-Strain Behaviour of Confined Concrete[J].Journal of Structural Engineering,114(8):1827-1849(1988).

[4] 广东省工程防震研究院. 深圳证券交易所运营中心工程场地地震安全性评价报告[ R ]. 广州:广东省工程防震研究院,2007.

[5] JGJ3-2002  高层建筑混凝土结构技术规程[ S ].

 

 (深圳市建筑设计研究总院有限公司,深圳 518031

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