中山某超高层大震下结构非线性地震反应与抗震性能评估

中山某超高层大大震下结构构非线性地地震反应分分析与抗震震性能评估估2009-111-10PAGE14目的本报告介绍****T1楼的大震弹塑性计算分析结果，对结构在罕遇地震下的抗震性能进行评价，论证该结构能够实现“大震不倒”的抗震性能目标。具体内容概括如下：结构在罕遇地震作用下进入弹塑性反应阶段，运用弹塑性时程分析的方法，得到结构反应的时间历程，判断抗侧体系的损伤程度，具体指标包括顶点位移、层间位移角、基底剪力等，根据规范要求确认结构是否满足“大震不倒”的设防要求；(2)判断主要抗侧力构件的塑性损伤分布，包括剪力墙的压弯和剪切损伤、转换梁、框支柱、框架梁柱以及连梁的塑性铰性质、分布、发展程度，判断主要抗侧力构件是否实现预定的性能目标水准；(3)考察重要构件在重力荷载和地震下结构传力途径和特点，监控罕遇地震下关键构件受力状态，保证大震下实现目标性能；(4)根据分析成果，论证整体结构大震下的抗震性能，找到结构薄弱层和薄弱部位，对结构设计提出改进意见和建议。分析方法采用动力弹塑性时程分析方法。直接将地震波数据输入结构模型，通过逐步积分方法，求得在地面运动加速度的每一时刻结构的弹塑性反应，得到结构构件的内力和变形在地震作用下随时间变化的全过程。该方法可以考虑到地震反应过程中地震波的幅值、频谱特性和持时三要素的影响，同时也考虑了结构的动力特性，是目前技术手段在确定的地震波输入时弹塑性地震反应分析领域较精确的方法。分析软件弹塑性时程分析采用ComputerandStructures,Inc的三维非线性结构分析软件Perform3D,该软件的核心是UniversityofCaliforniaatBerkeley的Powell教授开发Drain系列程序，这是受到国际学术界广泛认可和应用的程序。Perform-3D程序具有完善的模型库，稳定可靠的算法，代表了抗震工程研究的先进技术。特别的是，Perform-3D还体现了基于性能的抗震设计的思想(PerformanceBasedSeismicDesign)，可以在整体结构、构件、材料等方面上定义目标性能水准，通过地震反应后抗震“能力”与地震目标性能“需求”的比较来判断结构是否满足了我们期望实现的抗震要求。分析模型整体模型的构成整体模型是用三维非线性结构分析软件Perform3D建立，结构模型依据于弹性反应分析和结构设计的MIDAS模型和PKPM模型。弹塑性模型钢筋混凝土剪力墙的非线性力学行为的模拟目前的技术条件下，剪力墙的弹塑性分析模型有三种，分别是(a)等效柱模型、(b)纤维截面模型、(c)弹塑性壳元。等效柱模型是适用于平截面假定前提下、以弯曲变形为主的大高宽比柔性剪力墙，将每个墙肢用一连串能考虑剪切变形的非线性梁柱单元，这是FEMA建议对柔性剪力墙分析的方法，是Ls-Dyna常用的剪力墙模型。纤维模型是采用钢筋和混凝土材料的单轴应力应变关系，通过塑性纤维的轴向变形来模拟剪力墙的轴向－弯曲变形特征，纤维模型不必采用墙集中塑性铰的假定，不必采用双向弯曲互不耦联的假定，但是计算工作量较大。弹塑性壳元用于模拟剪力墙的塑性变形，技术上并不成熟，而且缺乏剪力墙弹塑性变形限值的确定依据。在本结构的分析中，采用的是塑性纤维+弹塑性剪切性质的单元模型来模拟剪力墙的轴向－弯曲变形和剪切变形。剪力墙只考虑平面内的弯曲和剪切弹塑性性质，平面外弯曲和轴向变形均做弹性假定。梁和连梁的非线性力学行为的模拟梁和连梁用弹性杆+曲率型塑性铰的模型来模拟其非线性变形特征，如图1所示，用曲率型而非转角型塑性铰的意义在于考虑梁端可能产生的塑性变形是一定长度区域内分布的实际情况。连梁的设计应保证“强剪弱弯”并且沿连梁全长布置箍筋，既提高连梁抗剪强度又加强对混凝土的约束，并保证塑性铰区域的转动能力。梁和连梁的截面和配筋依据设计单位提供的PKPM计算结果，并根据抗震规范和高层规范的相关规定和公式计算梁端屈服弯矩和屈服曲率。图1.梁端塑性铰的构成柱的非线性力学行为的模拟与梁模型类似，柱也是采用弹性杆+曲率型塑性铰模型来模拟其非线性变形特征。梁端形成弯曲塑性铰的准则是梁端绕强轴弯矩达到梁截面强轴的屈服弯矩值，而柱端形成塑性铰的准则是在三维空间中代表柱端轴力和双向弯矩的点(P,M1,M2)位于柱端PMM屈服面上，如图2所示。柱端的压弯塑性铰的塑性流动准则是塑性力学最常用的TheAssociatedFlowRule，塑性变形向量与屈服面垂直，在极端受力条件下，压弯塑性铰可能退化为弯矩很小的轴力铰或者平衡点附近的弯曲铰。图2.柱端塑性铰的构成材料的应力应变关系用塑性纤维模型模拟墙的弹塑性压弯变形时，需要用到钢筋和混凝土材料的应力应变关系。Perform3D模型中用双线型滞回模型模拟钢筋，并且计入包兴格效应，考虑滞回过程中的刚度退化，如图4所示；用三折线模型模拟混凝土压应力应变关系，根据混凝土规范附录C的公式和指标来确定相关参数，如图3所示。图3.混凝土压应力－应变关系图4.钢筋应力－应变关系Perfrom3D模型的初始弹性动力特性Perform3D模型完全依照PKPM模型的节点、单元、截面、边界条件，将PKPM的模型信息转换成Perform3D格式输入，保证Perform3D模型的动力特征、构建组成、质量分布等和PKPM模型基本一致。地震质量将结构体系100%恒载和50%活载导算地震质量，PKPM模型重力代表值与Perform3D模型重力代表值吻合。振型与周期表1.PKPM、Perform3D计算的前10阶振型周期振型123456PKPM1.2951.2610.9310.5880.5590.494Performm3D1.5171.4241.1070.6740.6360.603Mode1Mode2Mode3Mode4Mode5Mode6Mode7Mode8Mode9图5.Perform3D计算的前9阶整体反应振型与周期目标性能水准地震烈度众值烈度罕遇烈度抗震性能定性描描述不损坏不倒塌最大层间位移角角1/10001/120构件性能转换梁弹性不屈服底部柱不屈服连梁控制大部分塑性性铰在CP水平下框架主梁剪力墙加强区允许局部弯曲破破坏，不允允许出现剪剪切破坏框架柱上部剪力墙7．大震时程分析用Perform3D对结构模型进行大震时程分析，用安评报告提供的地震波输入，安评波计算持时30s。输入三向地震波，按照7度设防烈度的大震，两个水平方向的地震波峰值加速度为0.21g，采用Rayleigh阻尼，进行逐步积分的弹塑性时程分析。X向y向图6.根据安评报告输入的地震波7.1大震时程分析的整体反应x向y向图7顶点位移时程如图7示，按7度50年超越概率2%的罕遇烈度输入地震波，x向最大顶点位移是225mm；y向最大顶点位移是228mm。顶点位移分别相当于小震（PKPM计算的CQC结果）的7.6和7.7倍。x向y向图8.基底剪力时程如图8示，按7度50年超越概率2%的罕遇烈度输入地震波，x向最大基底剪力是53880kN；y向最大基底剪力是52320kN。基底剪力分别相当于小震（PKPM计算的CQC结果）的4.77和4.51倍。图9.最大层间位移角包络如图9所示，结构各层的最大层间位移角包络如上图所示，左图为x向，右图为y向，最大层间位移角分别为1/197和1/185，均满足规范最大层间位移角的限值要求，相当于小震（PKPM结果）的9.4和7.6倍，最大层间位移角大震下x向发生在35层，y向发生在21层。7.2大震下剪力墙的损伤砼纤维压应变分布钢筋纤维压应变分布钢筋纤维拉应变分布墙截面抗剪(1=100%纤维强度标准值的应变)图10.剪力墙的损伤分布7.3梁柱构件的塑性铰分布F14层梁铰分布F20层梁铰分布(1=100%屈服曲率)图11.大震下梁塑性铰发展大震下，框梁和连梁是主要耗能构件，大部分发生屈服，形成弯曲塑性铰。从梁端塑性铰曲率延性的发展水平判断，相当部分框梁和连梁的塑性变形较大，曲率延性超过2，参考FEMA356标准，处于LS-CP的性能水准。大震下，剪力墙整体未发生破坏，转换层上有钢筋受拉屈服，指示出现有局部轴向-弯曲屈服现象的发生；转换层上有零星剪力墙肢抗剪不够。总体判断，剪力墙整体未出现严重破坏。7.4大震下楼板的应力水平压应力拉应力剪应力（1=1Mpa）图12.14层楼板应力大震下，楼板用用壳元模拟拟，取典型型楼层的楼楼板面内剪剪应力和拉拉压应力，结结果显示，大部分楼板面内应力较小，介于0.2~0.5Mpa之间，电梯井周边有应力集中现象，局部拉应力超过1Mpa。7.5能量图13.地震能能量的耗散散和转化大震下，地震能能量主要经经由三种途途径消耗或或转化。一一是构件塑塑性往复变变形的滞回回耗能（红红色表示），通过构件损伤分布可知，这部分能量主要通过连梁和框架梁的弯曲塑性铰耗散；一是阻尼耗能，包括与质量相关和刚度相关的成分；一是弹性应变能和动能。安评波作用下，约50%为滞回耗能。大震反应总结按照77度50年发生概率率为2%的罕遇烈度度进行弹塑塑性时程分分析，输入入地震波采采用安评报报告提供的的符合场地地特征的地地震波，水平方向向峰值加速速度0.1197g，持持时30s，根据计算算结果和分分析，得出出以下结论论与建议：：x向和y向的最大顶点位位移分别为为225mmm和228mmm，最大基基底剪力分分别为533.8MN和52.33MN。。x向和y向的最大层间位位移角，均均小于规范范1/1220的限值；；核心筒内的剪力力墙，底部部有混凝土土纤维接近近压坏，转转换层上有有个别墙肢肢中少量钢钢筋纤维受受拉屈服，总总体判断，局局部的剪力力墙单元发发生了弯曲曲屈服，而而大部分剪剪力墙单元元轴向-弯曲仍处处于未屈服服状态；转换层以上存在在剪力墙剪剪切变形集集中的位置置，从划分分的单元判判断有局部部剪力墙单单元出现抗抗剪屈服，从从整片剪力力墙肢的平平均剪应变变判断，大大震下，该该结构核心心筒的剪力力墙肢基本本满足规范范最小抗剪剪截面要求求。大震下，连梁较较早进入弹弹塑性反应应状态，到到反应结束束大部分连连梁已经发发生了弯曲曲屈服，建建议适当提提高连梁的的抗震性能能，防止剪剪切破坏的的发生；大震下，柱端不不至于形成成PMM铰，符合合预定性能能目标水准准；大震下，大部分分框架梁出出现了弯曲曲塑性铰，大大部分梁端端曲率延性性在1~2之间，