文化艺术中心时程分析改(1)

1、1 结构计算分析及抗震性能目标分析1.1 主要结构计算软件弹性阶段计算采用中国建筑科学研究院编制的建筑结构空间有限元计算分析软件SATWE，作为结构设计、计算主要依据。采用中国建筑科学研究院编制的建筑结构设计软件PMSAP及北京迈达斯技术有限公司的MIDAS/Gen ( V7.9.5)进行对比校核分析。弹塑性阶段计算采用北京迈达斯技术有限公司的MIDAS/Gen ( V7.9.5)进行弹塑性静力推覆（Pushover）计算。1.2 多遇地震（小震）作用下的弹性计算分析及抗震性能目标分析1.2.1 弹性计算结果及分析采用SATWE和PMSAP、MIDAS/Gen计算程序计算的结果如表1.2.1.

2、1所示。表1.2.1.1 SATWE/PMSAP/Madis Gen弹性计算结果简表计算内容SATWEPMSAPMadisGen规范限值周期（秒）（x平动+ y平动/扭转%）T11.1682（0+100/0）0.9463（0+100/0）1.3505(0+100/0)T21.0961（100+0/0）0.9199（90+1/9）1.2611(100+0/0)T31.0040（0+3/97）0.8183（8+2/90）1.1573(0+0/100)Tt/T10.85940.86470.85690.90楼层最大层间位移角（所在楼层）X向地震1/692(2)1/687(2)1/583(2)1/550

3、Y向地震1/636(2)1/758(5)1/590(2)X向风1/5132(2)1/5018(5)1/4921(2)Y向风1/7285(2)1/9252(5)1/7113(2)最大位移/层平均位移X向地震1.24(1)1.26(1)1.34(1)宜1.2，应1.5Y向地震1.09(4)1.24(1)1.11(4)最大层间位移/平均层间位移X向地震1.25(3)1.37(4)1.35(1)1.5Y向地震1.16(4)1.29(4)1.14(4)有效质量系数（%）X向地震100.00100.00100.0090%Y向地震100.00100.00100.00最小楼层剪重比(%)X向地震6.657.2

4、655.82.4%Y向地震6.267.4965.4整体稳定验算（刚重比）X向40.9984.8137.4810整体稳定；20可不考虑重力二阶效应Y向35.6386.0633.63本层与上层抗剪承载力比值的最小值（所在楼层）X向0.73(5)0.94(5)0.91(5)不应65Y向0.96(5)0.93(5)0.79(5)地震作用下底层剪力 (kN)X向41196.714699941055.8Y向38601.034855938564.6地震作用下底层弯矩 (kN·M) X向837305.12840911816674.8Y向789048.88861040766349.6结构总质量（吨）6

5、3724.82863760.164864.7根据SATWE、PMSAP和MIDAS/Gen的弹性计算结果可知：结构沿主轴方向振动形式相近，结构振型、周期、位移形态和量值在合理范围；结构地震作用沿高度的分布合理；有效质量参与系数、楼层剪重比、位移角、位移比等指标均满足规范要求。1.2.2 弹性动力时程计算结果及分析采用SATWE进行多遇地震作用下的弹性动力时程计算。地震波总共选取了3条波，其中2条波为天然波，1条为人工波，按场地类别类，特征周期为0.45s。天然波（TH2TG045、TH3TG045）最少持续时间为40s，人工波（RH2TG045）最少持续时间为30s，均大于5倍结构基本周期。1

6、、地震波选取及合理性判断三条地震波及振型分解反应谱法计算的结构底部总剪力关系如图1.2.2-1所示，规范谱和地震波谱对比图如图1.2.2-2所示。具体弹性动力时程分析结果如表1.2.2-1所示。 图1.2.2-1 TH2TG045/TH3TG045/ RH2TG045结果图1.2.2-2 规范谱与地震波谱对比图表1.2.2-1 具体弹性动力时程分析结果波形TH2-TG045TH3-TG045RH2-TG045平均值规范反应谱比较结果地震波持续时间404030时间间距0.020.020.02X向最大层间位移角1/7371/9201/9941/8701/583Y向最大层间位移角1/7071/708

7、1/8271/7721/590X向底层剪力（kN）38827.832615.028133.033191.941196.780.1%Y向底层剪力（kN）35827.530930.529308.632022.238601.083.0%X向底层弯距（kN·m）734314.2594661.8551968.1626981.4837305Y向底层弯距（kN·m）693235.7615370.4558559.2622388.4789049注：比较结果指时程分析底部剪力平均值与反应谱底部剪力比。根据上图并结合数据分析可知：每条时程曲线计算所得的结构底部总剪力均不小于按振型分解反应谱法（C

8、QC法）计算所得的65%，三条时程曲线计算所得的结构底部总剪力的平均值不小于按振型分解反应谱法（CQC法）计算所得的80%；并且三组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差均小于20%。地震波的选取满足规范要求。2、计算结果分析三条地震波计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的关系如图1.2.2-31.2.2-5所示。 图1.2.2-3 层间位移角结果 图1.2.2-4 剪力结果 图1.2.2-5 弯矩结果根据上图分析可知：弹性动力时程计算的结果均小于振型分解反应谱法的计算结果，各项指标验算也满足规范有关要求。振型分解反应

9、谱法的计算结果曲线在结构高度方向的大部分范围内均明显大于三条地震波对应的平均计算结果，但在顶部二者接近，说明在采用振型分解反应谱法进行结构设计时，宜考虑高振型对结构顶部带来的不利影响。在进行施工图设计时，对顶部结构做了适当加强。综上所述，弹性动力时程计算分析表明：本工程采用SATWE程序按振型分解反应谱法计算，其结果偏于安全，满足规范要求。1.2.3 多遇地震作用下抗震性能目标分析结论（综合SATWE / PMSAP / MIDAS结果）1、弹性计算分析结果表明，本项目的控制工况为地震作用组合。2、本项目采用SATWE、PMSAP和MIDAS/Gen三个程序进行弹性计算的结果是可信的，未出现原

10、则性冲突或矛盾的结果，说明结构体系、结构布置与构件尺寸基本合理。3、周期比、位移角等各项指标均符合相关规范要求。计算结果表明，在多遇地震（小震）作用下，所有竖向构件及框架梁全部保持弹性，全部构件的抗震承载力、各项水平位移限值和舒适度满足规范有关要求。结构一般不受损坏或不需修理可继续使用。结构在多遇地震（小震）作用下能达到预期的性能目标。1.3 罕遇地震（大震）作用下的弹塑性计算分析及抗震性能目标分析1.3.1 罕遇地震作用下框架柱截面抗剪承载力验算罕遇地震（大震）作用下框架柱截面抗剪承载力的验算采用SATWE等效弹性方法计算，该方法分析结果偏于安全。罕遇地震（大震）作用下底层主要框架柱（以剧院

11、范围为例）的截面抗剪承载力验算如表1.3.1.1，其抗剪承载力均满足要求。表1.3.1.1 主要框架柱抗剪承载力验算框架柱编号VGE+V*EK（kN）fCK（N/mm2）b（mm）h0（mm）0.15fCKbh0（kN）VGE+V*EK0.15fCKbh0KZ36284.923.4100010003510满足KZ39217.823.4100010003510满足KZ40923.923.4175010006142.5满足KZ41372.323.4100010003510满足KZ42322.523.4100010003510满足KZ46275.923.4100010003510满足KZ52305.

12、923.4100010003510满足注：框架柱编号详施工图A11A12。1.3.2 结构静力弹塑性分析1.3.2.1 分析方法采用MIDAS/Gen（Ver.7.9.5）进行结构静力弹塑性分析（Pushover分析），在MIDAS/Gen中使用FEMA-273（1997）和ATC-40（1996）提供的能力谱法来对建筑物的抗震性能进行评价。FEMA-273是美国Federal Emergency Management Agency 对于建筑物结构以其性能表现为基准的抗震评估方法，主要目的是为了对建筑物抗震和加固提供一套分析方法和标准。它依照不同的地震等级与建筑物性能表现等级制定出不同的修复目

13、标。建筑物的性能等级则代表建筑物遭受地震后可维持的功能，共分4级，正常使用，可立即使用（IO），生命安全（LS），建筑物不倒塌（CP）。ATC-40采用承载力谱法，先建立5%阻尼的线弹性反应谱，再用能量耗散效应降低反应谱值，并以此估计结构的非线性位移。Pushover分析是评价结构的变形性能的方法之一，分析后会得到如图1.3.2.1所示的荷载位移能力谱曲线。根据结构耗能情况会得到弹塑性需求谱曲线。两个曲线的交点就是针对该地震作用结构所能发挥的最大内力以及最大位移点。当该交点在目标性能范围内，则表示该结构设计满足了目标性能要求。Pushover分析完成后，可根据反应谱评价结构的性能，可观察各荷载

14、工况下结构各阶段的变形形状，结构各薄弱部位的塑性发展顺序及塑性铰发生状态。对关键部位在性能点处的性能进行评价，针对局部薄弱环节进行加强；可检验结构各个杆件是否超过弹塑性极限状态，是否满足大震不倒的要求。在大震作用下，根据性能点时的结构变形，评价结构层间位移角是否满足规范规定的弹塑性层间位移角限值；由结构塑性铰的分布，判断结构薄弱位置，根据塑性铰所处的状态，检验结构构件是否满足大震作用下性能水准的要求。图 1.3.2.1 使用基于位移的设计方法评价结构的耐震性能1.3.2.2 非线性计算模型Midas/Gen提供框架杆单元、膜单元、板单元、三维实体单元等多种基本单元，以模拟实际结构中的梁、柱、斜

15、撑、剪力墙、楼板等构件。Midas/Gen为进行静力弹塑性分析提供的模拟构件非线性本构关系的模型有：2D梁单元、3D梁柱单元、3D墙单元及桁架单元。本次计算采用的非线性梁柱单元和墙单元的节点力和节点位移如图1.3.2.2和图1.3.2.3所示：图1.3.2.2 2D-梁单元和3D-梁-柱单元的节点力和节点位移图1.3.2.3 3D墙单元的节点力和节点位移本次计算采用MXMY关系来模拟梁在截面2个方向的弹塑性弯矩转角关系，3维单元PMXMY关系来模拟柱的轴力弯矩弹塑性本构关系；3维墙单元的轴力弯矩及剪切关系来模拟墙的3维弹塑性本构关系。计算过程中Midas/Gen根据计算的各构件截面、材料特性和

16、配筋情况，计算出各构件的上述非线形本构关系。本次计算采用了FEMA273提供的塑性铰本构关系，FEMA273用本构关系中的多个关键点对构件的塑性铰本构关系，FEMA273用本构关系中的多个关键点对构件的塑性铰状态进行了不同阶段的描述。在图1.3.2.4中，B点表示构件本构关系进入塑性，塑性铰开始出现。C点表示构件承载力极限点。在B点和C点之间又分为三种状态：IO即刻使用极限状态；LS安全极限状态；CP防止倒塌极限状态。C点之后，构件被认为只剩下残余承载力。本子项1#楼主楼的性能目标对应上述屈服状态如下：“小震不坏”对应A-B弹性段，即小震阶段不出现塑性铰；“中震可修”对应B-LS屈服状态段，即

17、不出现LS屈服状态塑性铰；“大震不倒”对应LS-CP屈服状态段，即不出现CP屈服状态塑性铰。本次计算所使用的材料力学性能均根据我国钢筋混凝土结构设计规范提供的有关数据。IO = 即刻使用极限状态(Immediate Occupancy)LS = 安全极限状态(Life Safety)CP =防止倒塌极限状态(Collapse Prevention)图1.3.2.4 FEMA273的塑性铰本构关系1.3.2.3 加载模式Pushover分析是研究结构在某种特定的侧向静力加载模式下，随着荷载的逐步增加，结构的刚度伴随塑性铰的产生而发生变化，从而得到结构的变形和内力的发展过程。Midas/Gen提供

18、了3种类型的水平力分布模式：静力荷载形状决定的水平力；按振形决定的分布荷载及与各层的质量成比例的水平力。其中振型决定的侧向力分布是用给定的振型和该振型下的圆频率的平方（w2）及相应质量分布的乘积获得。为得到全过程的力位移关系，Pushover的增量可以是矢量增量或位移矢量增量。由前面SATWE和MIDAS/Gen小震弹性分析可知，结构模型的第一和第二振型分别沿X轴平动和Y轴平动。本工程以这两种振型决定的水平分布荷载为加载模式（模态分布模式），以位移增量为增量控制，分别进行X方向和Y方向的静力弹塑性分析，共两种荷载工况。对上述两种荷载工况进行Pushover分析，得到各个工况由谱加速度与谱位移（

19、SaSd）表示的能力谱曲线。然后将本工程场地的中震、大震反应谱曲线（T）转换为谱加速度与谱位移（SaSd）曲线作为需求谱，能力谱线与需求谱线相交的点即为结构的性能控制点。为模拟建筑物的实际受力情况，在进行Pushover分析之前，需要先考虑结构在自重和部分活荷载作用下的初始内力和变形，本次计算中结构所承受的初始荷载为：1.0×恒荷载标准值+0.5×活荷载标准值。1.3.2.4 结构计算模型本工程由MIDAS/Gen（Ver.7.9.5）建成计算模型（如图 1.3.2.1 ），几何、材料参数及荷载均同SATWE模型。由MIDAS/Gen进行弹性计算，并对构件进行设计后，再进行

20、Pushover分析，弹性计算考虑风荷载和地震作用，地震作用按7度（0.15g）多遇地震，采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法计算，并考虑偶然偏心的影响。进行Pushover分析前，对两种分析程序整体计算结果进行了比较，如表1.3.2.11.3.2.2，两种模型的质量、自振周期均接近，且振动形态也一一对应，表明MIDAS/Gen计算模型具备进行结构静力弹塑性分析的条件。图 1.3.2.1 midas整体模型表1.3.2.1 SATWE计算结果自振周期周期（s）对应角度（度）平动系数 （X+Y）扭转系数第一周期T11.168288.111.00(0.00+1.00)0.00第二周期T21.0961

21、178.101.00(1.00+0.00)0.00第三周期T31.004084.010.03(0.00+0.03)0.97第一扭转周期与第一平动周期的比值0.8594 0.90第一周期与计算层数的比值 T1/N0.1947计算振型数15振型质量参与系数X向：100Y向：100结构的总质量(kN)637241表1.3.2.2 MIDAS/Gen计算结果自振周期周期（s）X向平动因子Y向平动因子Z向扭转因子第一周期T11.35050.0899.900.02第二周期T21.261199.700.080.22第三周期T31.15730.100.0299.89第一扭转周期与第一平动周期的比值0.857&

22、lt;0.90第一周期与计算层数的比值 T1/N0.143计算振型数15振型质量参与系数X向：100Y向：100结构的总质量(kN)6486471.3.2.5 弹塑性静力推覆（Pushover）计算的主要参数、工况及铰特性1、Pushover参数Pushover分析控制荷载最大增幅次数为15。最大迭代/增幅步骤数为10。收敛值为0.001。2、Pushover荷载工况名称侧向荷载模式类型荷载选择荷载乘数控制方式控制位移(米)主节点号主方向是否使用初始荷载是否考虑P-Delte效应PUSH-X模态分布方向DX1位移控制13115DX是是PUSH-Y模态分布方向DY1位移控制13120DY是是注：

23、初始荷载采用：1.0×恒载标准值+0.5×活荷载标准值。3、定义及分配铰特性值分类名称铰功能铰类型分配位置梁铰ljMy-MzFEMA梁两端柱铰zjP-My-MzFEMA柱两端1.3.2.6 弹塑性静力推覆（Pushover）计算结果分析1、设防烈度地震（中震）作用下弹塑性静力推覆计算对比分析1） 各工况下的能力谱曲线及性能点见下列图形：PUSH-X模态分布荷载模式PUSH-Y模态分布荷载模式2） 设防烈度地震（中震）作用时各工况弹塑性层间位移角如下表工况弹塑性层间位移角工况弹塑性层间位移角PUSH-X1/362（2层）PUSH-Y1/325（2层）3） 设防烈度地震（中震）

24、作用时各工况塑性铰状态设防烈度地震性能点处结构塑性铰的状态分析总结如下：工况框架柱框架梁X方向PUSH-X底部个别构件出现进入刚屈服状态的塑性铰基本上都为弹性，个别框架梁梁端出现刚进入屈服状态的塑性铰Y方向PUSH-Y底部个别构件出现进入刚屈服状态的塑性铰基本上都为弹性，个别框架梁梁端出现刚进入屈服状态的塑性铰设防烈度地震作用时塑性铰状态及分布详见下列图形： 中震PUSH-X向性能点的柱铰分布 中震PUSH-Y向性能点的柱铰分布 中震PUSH-X向性能点的梁铰分布 中震PUSH-Y向性能点的梁铰分布3） 设防烈度地震作用下抗震性能目标分析结论设防烈度地震（中震）作用下，框架柱除底部或顶部个别构

25、件出现进入刚屈服状态的塑性铰以外，其他都表现为弹性。框架梁基本上都为弹性，少数框架梁梁端出现刚进入屈服状态的塑性铰。另外，在各工况下弹塑性层间位移角大小为多遇地震（小震）下位移角限值的1.9倍，属于轻微损坏（抗规附录M）。分析结果表明：结构在设防烈度地震（中震）作用下能达到预期的性能目标。2、罕遇地震（大震）作用下弹塑性静力推覆（Pushover）计算结果分析1） 各工况下能力谱曲线及性能点见下列图形：PUSH-X模态分布荷载模式PUSH-Y模态分布荷载模式罕遇地震（大震）作用下各个工况的能力谱曲线有以下特点：、能力谱曲线较为平滑，顶点位移与基底剪力基本呈线性递增；在设定目标范围内，各荷载工况

26、下得到的能力曲线均平滑上升。各能力谱与大震需求谱均有交点。、从不同方向进行加载得到的能力谱曲线反应了结构在不同方向上的抗推覆能力。在推覆过程中，同一加载模式下X向能力谱曲线和Y方向能力谱曲线变化基本相似，曲线形状基本相同，说明两个方向的抗推覆能力基本相近。 2） 各工况下弹塑性层间位移角曲线在罕遇地震（大震）作用下结构进入塑性。各工况下结构的弹塑性层间位移角曲线见下列图形：PUSH-X模态分布荷载模式弹塑性层间位移角曲线PUSH-Y模态分布荷载模式弹塑性层间位移角曲线分析结构在罕遇地震（大震）作用下各工况的弹塑性层间位移角曲线，结构具有以下特点：、位移角曲线的变化比较均匀，不存在突变，结构竖向

27、刚度基本均匀；、弹塑性层间位移角均小于1/50，满足规范规定的结构薄弱层层间弹塑性位移角限值规定。X、Y方向最大层间位移角出现在第2层处。、在各工况下弹塑性层间位移角大小为多遇地震（小震）下位移角限值的3.23.7倍。、弹塑性层间位移角如下表工况弹塑性层间位移角工况弹塑性层间位移角PUSH-X1/184（2层）PUSH-Y1/159（2层）3） 罕遇地震（大震）作用时各工况塑性铰状态罕遇地震性能点处结构塑性铰的状态分析总结如下：工况框架柱框架梁X方向PUSH-X底部或顶部个别出现进入刚屈服状态的塑性铰和塑性铰进入LS状态，大部分保持弹性；部分框架梁梁端出现塑性铰，个别框架梁塑性铰进入LS状态，无剪切铰Y方向PUSH-Y底部或顶部个别出现进入刚屈服状态的塑性铰和塑性铰进入LS状态，大部分保持弹性；部分框架梁梁端出现塑性铰，个别框架梁塑性铰进入LS状态，无剪切铰罕遇地震（大震）作用时塑性铰状态及分布详见下列图形： 大震PUSH-X向性能点的柱铰分布 大震PUSH-Y向性能点的柱铰分布 大震PUSH-X向性能点的梁铰分布 大震PUSH-Y向性能点的梁铰