特大地震作用下超限高层结构破坏特点分析-20141117

1、http:/ 柯柯2014.11.222014.11.221 1、特大特大地震下框筒结构破坏地震下框筒结构破坏特点特点分析分析2 2、受拉受拉剪力墙剪力墙抗震性能分析抗震性能分析3 3、高层结构抗震优化设计软件、高层结构抗震优化设计软件GSOPTGSOPT应用应用3007地块框架核心筒172.0m005地块框架核心筒174.6m港航中心框架核心筒248.5m绿地中心框架核心筒175.2m实际发生实际发生的的几次几次大大地震远大于建筑物设防要求地震远大于建筑物设防要求。针对针对7度区度区7栋按中国规范栋按中国规范性能性能C设计的超高层框筒结构，通过加载设计的超高层框筒结构，通过加载特大地特大地震

2、（震（400cm/s2），分析这，分析这7栋超高层结构的破坏特点栋超高层结构的破坏特点。7栋超高层结构模型4城际中心框架核心筒172.4m华强1栋钢框架核心筒299.7m华强3栋框架双核心筒183.3m构件类型构件类型大震大震（所占组百分比）（所占组百分比）特大地震特大地震（所占组百分比）（所占组百分比）连梁连梁B至IO： 占45%IO至LS：占25%LS至CP：占10%B至IO： 占15%IO至LS：占35%LSLS至至CPCP：占：占50%50%框架梁框架梁B至IO： 占40%IO至LS：占20%LS至CP：占2%B至IO： 占35%IO至LS：占30%LSLS至至CPCP：占：占15%1

3、5%007地块-梁破坏大震特大地震特大地震计算发现破坏特点：特大地震计算发现破坏特点：（1）梁损坏严重，框架柱损坏较轻；）梁损坏严重，框架柱损坏较轻；（2）部分剪力墙损坏严重；）部分剪力墙损坏严重；（3）剪切破坏是结构整体失效的主因；）剪切破坏是结构整体失效的主因；大震特大地震007地块-柱破坏构件类型构件类型大震大震特大地震特大地震框架柱框架柱塔楼顶、裙房顶、加强层上下层拉弯破坏破坏范围和程度加大剪力墙剪力墙个别墙剪切破坏部分墙剪切破坏：核心筒刚度突变处、加强层及结构底部构件类型构件类型大震大震（所占组百（所占组百分比）分比）特大地震特大地震（所占（所占组百分比组百分比% %）框架柱框架柱B

4、至IO： 占2%IO至LS：占1%LS至CP：占0%B至IO： 占5%IO至LS：占2%LSLS至至CPCP：占：占1%1%剪力墙剪力墙B至IO： 占30%IO至LS：占2%LS至CP：占1%B至IO： 占40%IO至LS：占5%LSLS至至CPCP：占：占10%10%23层以上部分剪力墙取消位置的剪力墙剪切破坏特大地震：剪切破坏主要出现在核心筒刚度突变处、加特大地震：剪切破坏主要出现在核心筒刚度突变处、加强层、底部剪力墙。强层、底部剪力墙。绿地中心21层以上剪力墙取消底层剪力墙破坏首层外围剪力墙出现拉弯屈服华强1栋加强层剪力墙剪切破坏剪力墙拉弯屈服特大特大地震地震：结构竖向无明显刚度突变，只

5、有个别墙肢剪：结构竖向无明显刚度突变，只有个别墙肢剪切破坏！切破坏！城际中心城际中心剪力墙剪切破坏范围较小少量剪力墙拉弯屈服部分墙肢轻度损伤，未发生严重受压损伤华强华强3栋栋基底剪力和位移角基底剪力和位移角9 基底剪力比值基底剪力比值位移角比值位移角比值层间位移角层间位移角 7度/小震8度/小震8度/7度7度/小震8度/小震8度/7度8度007地块地块5.917.651.296.438.061.251/116005地块地块6.057.551.256.358.081.271/119绿地中心绿地中心5.427.391.365.549.111.641/101华强华强1栋栋4.154.361.056.

6、476.921.071/104港航中心港航中心4.387.171.644.419.052.051/70城际中心城际中心4.565.571.225.4811.982.191/84华强华强3栋栋3.666.151.688.1212.321.521/66平均值平均值4.886.551.346.119.361.531/901）007地块、005地块和绿地中心：取消上部剪力墙竖向刚度突变，层间位移角较小，但出现剪力墙剪切破坏；2）华强华强1栋栋：加强层造成刚度突变，层间位移角较小，出现剪力墙剪切破坏。3）港航中心、城际中心和华强3栋：破坏时刻的层间位移角较大，虽然华强3栋存在框支结构，但框支剪力墙为斜墙

7、，避免了刚度突变现象。位移比位移比10 007007地地块块005005地地块块绿地中绿地中心心华强华强1 1栋栋港航中港航中心心城际中城际中心心华强华强3 3栋栋小震位移比小震位移比1.211.411.391.011.031.121.23破坏破坏时刻位移比时刻位移比1.331.551.291.001.011.151.60总结：小震计算位移比较大，则特大震下结构破坏时的位移比也较大；位于外框的剪力墙破坏，对结构的抗扭刚度削弱更大，位移比也更大。007地块项目左右两边柱位移22s时刻由于结构破坏比较严重，楼层位移比增大。构件破坏比较严重框架柱分配剪力框架柱分配剪力11总结：特大地震下总结：特大地

8、震下框架框架柱柱二道防线起一定的二道防线起一定的作用作用，由于，由于框架梁过早屈服出铰，框架柱作用有限；即使框架柱分框架梁过早屈服出铰，框架柱作用有限；即使框架柱分配剪力较大，配剪力较大，框架框架柱最大剪压柱最大剪压比比没有超过没有超过0.15。最大值0.098结构耗能分析结构耗能分析007地块构件塑性耗能城际中心构件塑性耗能剪力墙耗能明显增大总结：应避免总结：应避免剪力剪力墙塑性墙塑性耗能耗能突然突然增加，增加，提高提高墙肢墙肢延性延性。25s右侧墙剪切破坏21s左侧墙剪切破坏剪力墙耗能平缓增加剪力墙抗剪承载力分析剪力墙抗剪承载力分析厚度700mm，长度7150mm，混凝土等级为C60，抗压

9、强度标准值38.5 N/mm2，抗拉强度标准值2.85 N/mm2，水平和竖向分布钢筋配筋率0.6%，暗柱配筋为400*10mm方钢管；混凝土模型混凝土模型 型钢模型型钢模型 钢筋模型钢筋模型总结：在总结：在无轴向力或无轴向力或在轴心受拉作用在轴心受拉作用下，剪力墙抗剪下，剪力墙抗剪承载力显著承载力显著下降！下降！初始荷载初始荷载剪力墙破坏剪力墙破坏时时加载加载剪力值剪力值剪压比剪压比破坏形式破坏形式0.2fc0.2fc* *A A轴压力作用轴压力作用20250kN0.1160.116剪切破坏无轴力无轴力9200kN0.0530.053剪切破坏ft ft* *A A轴拉力作用轴拉力作用2200

10、kN0.0120.012剪切破坏剪力墙抗剪承载力分析剪力墙抗剪承载力分析0.2fcA轴压力下剪力墙受拉损伤剪力墙钢筋应力在无轴力作用下剪力墙受拉损伤剪力墙钢筋应力加载到加载到9200kN剪力剪力墙出现墙出现明显斜裂缝。明显斜裂缝。分布钢筋及端部边缘分布钢筋及端部边缘构件的钢筋均构件的钢筋均屈服屈服。加载到加载到20250kN剪力剪力墙突然发生剪切破坏墙突然发生剪切破坏，分布分布钢筋及端部边缘钢筋及端部边缘构件的钢筋均屈服构件的钢筋均屈服剪力墙钢筋应力在ft*A轴拉力作用下剪力墙受拉损伤加载到加载到2200kN剪力剪力墙出现剪切墙出现剪切破坏。分破坏。分布布钢筋屈服，端部边钢筋屈服，端部边缘构件

11、的钢筋未屈服。缘构件的钢筋未屈服。剪力墙抗剪承载力分析剪力墙抗剪承载力分析取整体模型剪力墙的最不利轴力弯矩组合进行正截面承载力验算，都满足要求；墙在最小轴压力554kN时，弯矩值1534kN.m，剪力9865kN（剪压比剪压比约约0.060.06），接近剪切破坏。墙正截面承载力验算总结：钢筋混凝土墙肢的轴向压力较小或处于受拉状态时，总结：钢筋混凝土墙肢的轴向压力较小或处于受拉状态时，按规范性能水准按规范性能水准4的剪压比限值的剪压比限值0.15控制受剪是不够的。控制受剪是不够的。 结构体系结构体系高度高度(m)(m)层数层数高宽比高宽比核心筒尺寸核心筒尺寸筒高宽比筒高宽比最大最大拉应力拉应力/

12、 /ftkftk沈阳华强沈阳华强1 1栋栋钢框架-核心筒299.7708.424.5*24.512.22.5珠江新城珠江新城F2-4F2-4地块地块框架-核心筒280.0556.119.2*广州华南国际港航中心广州华南国际港航中心框架-核心筒248.5525.921.6*21.611.51.0德国中心德国中心框架-核心筒239.4586.020.6*23.011.61.1沈阳华强沈阳华强3 3栋栋框架-双核心筒183.3536.98.9*17.720.61.4广州金融城绿地中心广州金融城绿地中心框架-核心筒175.2404.812.3*广州金融城广州

13、金融城005005地块地块框架-核心筒174.6435.210.5*42.016.61.9广州城际中心广州城际中心框架-核心筒172.4395.013.9*30.712.41.7广州金融城广州金融城007007地块地块框架-核心筒172.0405.012.1*37.514.22.2琶洲琶洲AH041006AH041006地块地块框架-核心筒160.0377.111.0*24.014.53.9珠江新城珠江新城D3-2D3-2地块地块框架-剪力墙157.0364.412.8*18.012.31.5粤电中心粤电中心框支-剪力墙154.0335.011.4*22.613.51.42、受拉受拉剪力墙剪力

14、墙抗震性能分析抗震性能分析 根据根据7度区度区12栋超高层结构的统计，在双向栋超高层结构的统计，在双向中中震作用下底部剪力墙震作用下底部剪力墙拉应拉应力一般在力一般在1.02.5ftk之间，当之间，当核心筒偏置核心筒偏置时，会出现更大拉应力比时，会出现更大拉应力比。2、受拉受拉剪力墙剪力墙抗震性能抗震性能分析分析在在中震作用下底部剪力墙中震作用下底部剪力墙拉应力拉应力不不大于大于2 2* *ftkftk时，时，目前常规的处理办法是在剪力墙内埋置型钢目前常规的处理办法是在剪力墙内埋置型钢或或钢钢板板来承受中震产生的拉力来承受中震产生的拉力。当当底部底部剪力墙拉应力大于剪力墙拉应力大于2 2* *

15、ftkftk时时，加型钢能否加型钢能否满足满足结构抗震性结构抗震性能能要求要求？2、受拉受拉剪力墙剪力墙抗震性能抗震性能分析分析 1.01.0恒恒+0.5+0.5活活地震力地震力组合拉组合拉力力放大后的放大后的地震力地震力放大后组放大后组合拉力合拉力拉应力比拉应力比放大放大系数系数轴力轴力（kNkN）-9401-9401202122021210811108112283922839133771337724%24%W1剪力墙拉力（正值为拉，负为压）中震不屈服计算的拉力放大软件计算软件计算的的中中震不屈服震不屈服设计最大设计最大拉力拉力，包括，包括了因为结构不满足规范对剪了因为结构不满足规范对剪重比

16、、刚度重比、刚度比比、承载力比、承载力比等等的要求所进行的楼层地震力放大，譬如琶的要求所进行的楼层地震力放大，譬如琶洲洲项目项目W1墙肢墙肢不不满足剪重比要求，满足剪重比要求，放大放大1.127，按放大后的组合内力计算按放大后的组合内力计算墙肢拉应力比墙肢拉应力比3.94，若按不若按不放大放大地震力地震力计算计算拉应力拉应力比比3.19，放大了，放大了24%。总结：根据总结：根据中中震震计算计算判断受拉剪力墙时，不宜调整楼层地判断受拉剪力墙时，不宜调整楼层地震力，否则偏心受压墙可能判断为偏心受拉墙，或增大拉震力，否则偏心受压墙可能判断为偏心受拉墙，或增大拉应力比应力比。2、受拉受拉剪力墙剪力墙

17、抗震性能抗震性能分析分析琶洲AH041006地块采用框架-核心筒体系，高160m，1-4层型钢混凝土柱，5层及以上钢筋混凝土柱，剪力墙厚度底部800mm收至顶部500mm，剪力墙和柱混凝土强度C60，型钢强度Q345，标准层平面核心筒偏置。大震采用PERFORM-3D软件计算。三维计算模型首层平面示意图中震计算墙肢拉应力比超过3.0，分析墙内加型钢对抗拉性能影响。2、受拉受拉剪力墙剪力墙抗震性能抗震性能分析分析构件构件中震性能要求中震性能要求（性能（性能C C）中震计中震计算结果算结果大震性能要求大震性能要求（性能（性能C C）大震计算结果大震计算结果验算情况验算情况底部加强区底部加强区剪力墙

18、剪力墙抗弯不屈服，抗弯不屈服，抗剪弹性抗剪弹性未出现未出现超筋超筋抗弯、抗剪不屈服抗弯、抗剪不屈服底部底部部分部分剪力墙拉弯屈服；剪力墙拉弯屈服；个别剪力墙剪切破坏个别剪力墙剪切破坏中震满足，中震满足，大震不满足大震不满足主要Y向的转角剪力墙出现剪切破坏底层剪力墙发生屈服底部楼层剪力墙混凝土发生轻微受压损伤本工程性能目标定为本工程性能目标定为C，由于，由于在大震作用下底部加强区剪力墙在大震作用下底部加强区剪力墙出现拉弯屈服和剪切破坏，结构不能满足性能出现拉弯屈服和剪切破坏，结构不能满足性能C抗震性抗震性能要求。能要求。2、受拉受拉剪力墙剪力墙抗震性能抗震性能分析分析中震16871kN大震126

19、00中震3045kN中震8228kN.m大震1177大震-1350墙墙W4中震中震与与大震下大震下拉力最大时刻内力拉力最大时刻内力比较比较：（1）大震下剪力墙最大拉力大震下剪力墙最大拉力小于中小于中震反应谱震反应谱法法计算拉力；计算拉力；（2）底部轴）底部轴拉力拉力最大时刻最大时刻，弯矩，弯矩较小，剪力并不较小，剪力并不小小。总结：偏心受拉剪力墙抗弯、抗剪能力大大削弱，加型钢不单总结：偏心受拉剪力墙抗弯、抗剪能力大大削弱，加型钢不单解决抗拉，还要解决抗剪问题。解决抗拉，还要解决抗剪问题。轴力剪力弯矩2、受拉受拉剪力墙剪力墙抗震性能抗震性能分析分析 基底基底剪力剪力( (kN)kN)层间位移角层

20、间位移角模型模型1 1（无型钢无型钢）553621/109模型模型2 2（1 1倍倍型钢型钢）571101/108模型模型3 3（2 2倍型钢倍型钢）598551/108最大基底剪力和层间位移角31337782916095 24451模型1模型2模型3626741565832190 48902三种计算三种计算模型模型比较：比较：13层加型钢1倍型钢：按照中震墙肢轴拉力计算的型钢面积。2、受拉受拉剪力墙剪力墙抗震性能抗震性能分析分析AZ1暗柱钢筋应变时程曲线无型钢最大拉应变0.00351倍型钢最大拉应变0.00252倍型钢最大拉应变0.0015最大压应变变化不大三种计算三种计算模型模型比较：比较

21、：无无 型型 钢：钢：暗柱暗柱区区钢筋钢筋的拉应变的拉应变超超过过屈服应变屈服应变，受拉屈服；，受拉屈服；1倍型钢：倍型钢：暗柱暗柱区钢筋屈服但区钢筋屈服但仍仍处于处于IO状态状态，拉应变拉应变减小减小30% ；2倍型钢倍型钢：暗柱暗柱区区钢筋钢筋处于弹性状态，没有出现处于弹性状态，没有出现屈服屈服，拉应变拉应变 减小减小50% 。2、受拉受拉剪力墙剪力墙抗震性能抗震性能分析分析1倍型钢剪力墙未出现屈服1倍型钢个别暗柱出现屈服三种计算三种计算模型模型比较：比较：1倍倍型钢型钢：结构底部剪力墙未出现剪切破坏，也未出现拉弯屈服，个别暗 柱钢筋受拉屈服，处于IO状态，仍不满足性能C要求。2倍型钢倍型

22、钢：结构底部剪力墙未出现剪切破坏，也未出现拉弯屈服，暗柱钢 筋未出现屈服，满足性能C要求。2倍型钢剪力墙未出现屈服2倍型钢暗柱没有出现屈服2、受拉受拉剪力墙剪力墙抗震性能抗震性能分析分析混凝土模型 型钢模型 钢筋整体模型 最大最大轴轴拉力（拉力（kNkN）剪力（剪力（kNkN）弯矩（弯矩（kNkN* *mm）无型钢无型钢126001260011771177135013501 1倍型钢倍型钢226402264016501650449644962 2倍型钢倍型钢31417314171899189984478447总结：总结：配置配置型钢越多型钢越多，大震下大震下剪力墙剪力墙最大最大拉力拉力越大。越

23、大。首层W4墙肢采用ABAQUS精细有限元计算。首层层高6m，剪力墙厚700mm，长3000mm，水平和竖向分布钢筋配筋率0.6%，暗柱钢筋面积7056 mm2，单根型钢面积24451mm2。2、受拉受拉剪力墙剪力墙抗震性能抗震性能分析分析模型1钢筋Mises应力模型2钢筋和型钢Mises应力模型3钢筋和型钢Mises应力无 型 钢：加载后，纵向受拉钢筋屈服并进入强化阶段，墙体受拉破坏。1倍型钢：加载后，暗柱区钢筋受拉屈服，但仍继续承受剪力和弯矩。2倍型钢：加载后，除加载区域附近外，钢筋和型钢未出现屈服。总结：总结：当当中中震震拉应力比超过拉应力比超过2时，应适当增加型钢用量。当时，应适当增加

24、型钢用量。当拉应拉应力力比接近比接近3时，型钢时，型钢用量加倍用量加倍可满足抗震性能要求可满足抗震性能要求。高层混凝土结构优化计算难点： 计算规模大，结构体系复杂； 约束条件多，满足规范的控制条件； 不是单纯数学问题，涉及抗震设计概念、构造要求； 变量不连续，按模数变化；开发GSOPT软件 基于优化理论和结构设计概念，通过优化设计软件实现自动进行结构调整，代替经验性的人工调整、验证性设计。 相比国外通用优化软件如HyperStudy，针对性强，效率更高，适合结构设计专业应用。适用各类优化目标 结构造价、用钢量、刚度、位移角、剪重比等；27 响应面算法基本原理 数据实验数据实验 中心复合实验 全

25、因子实验 数据拟合数据拟合 选用一次或二次拟合； 高阶响应面拟合：抽样数量将显著增加，容易产生震荡。 二次规划二次规划 通过迭代计算得到目标值最小（大）值点； 内点法在可行域边界上设置一道屏障，当迭代过程靠近可行域的边界时，目标函数数值迅速增大； 混合法在非可行域人工制造梯度，解决初始点在可行域外的问题。28NoImage1200B 约束壁垒厚度问题 内点法制造约束壁垒； 若迭代步长过大，可能会跨过约束，造成无法收敛或在不可行域内迭代等问题； 运用阶级函数运用阶级函数，若迭代越出边界，函数值自动取一大值形成壁垒；原响应面29含约束响应面边界壁垒修改约束边界响应面修改边界壁垒 多峰值问题 多峰值

26、曲面，由于局部极值点不一定是全局最优点，存在不同起始点收敛到不同点的问题； 每次求得局部最优点的时候，以该值为一个阀值，对响应面进行修剪，建立新的约束条件，然后再重新找起始点进行运算；3020111nnniiijijiiiiijjiyAAxA x xA x22001,1,1,()()0nnnnnkkkkikikiikiiiiiijijiki kikijk jkA xAA xA x xA xAxA x xAy 20kkaxbxc二次响应面：二次响应面：整理可得整理可得简化简化abc242kbbacxa 求解求解 起始点不在可行域问题 修改罚函数，离边界越远，罚函数值越大； 既保留了起始点在可行域

27、内的运动特征，也能让起始点落在不可行域时使其滑回到可行域内；31 以离约束函数的距离为标准，绝对值越大，说明偏离越大，罚函数的值就越大，从而人工制造一个负梯度，使迭代点滑回到可行域。优化软件主要模块 建模：建模：结构布置建模、根据优化目标构件分组； 计算分析和设计：计算分析和设计：结构静力和动力分析、根据规范进行构件设计； 优化计算：优化计算：构件优化、变量敏感度分析、结构整体刚度优化等。32结构优化软件优化计算计算分析和设计建模计算结果调用计算优化数据模型数据优化结果建模及分组功能 进行结构墙、柱、梁、板布置及调整。33软件主界面软件主界面建模及分组功能 关键字和逻辑查询功能设置分组； 图形显示中鼠标点选和框选设置分组。34关键字查询查询结果逻辑关键字分组解决三大问题：提高计算效率、符合建筑功能要求、方便土建施工。计算分析和设计 结构计算：整体静力计算、抗震分析、内力放大及调整等； 构件设计：根据规范要求混凝土构件截面验算、配筋等。35构件优化设计 优化目标：每组构件造价（质量）最低； 约束条件：规范构件强度、构造要求、截面限制范围等； 目标构件：梁、柱、墙、斜撑等； 优化方法：多级优化、网格搜索法；36结构整体刚度优化 变量设置 设置各构件截面尺寸的变化范围及增量大小； 优化算法 响应面算法的一次或二次拟合； 约束条件 位移角、位移比、刚度比、承载力比、周期比、剪重