超高层钢框架一核心筒结构弹性与弹塑性时程分析.pdf

第3 9 卷第4 期 2 0 1 3 年4 月 北京工业大学学报 J O U R N A LO FB E I J I N GU N I V E R S I T YO FT E C H N O I 。O G Y V o I ．3 9N o ．4 A p r ．2 0 1 3 超高层钢框架一核心筒结构弹性与弹塑性时程 分析结果对比研究 尧国皇1 ”，王卫华3 ，陈宜言2 1 ．清华大学土木工程系，北京1 0 0 0 8 4 ；2 ．深圳市市政设计研究院有限公司，深圳5 1 8 0 2 9 ； 3 ．华侨大学土木工程学院，厦门3 6 1 0 2 1 摘要利用通用有限元软件A B A Q U S 建立了超高层钢框架一钢筋混凝土核心筒混合结构的精细有限元模型，对 其进行了罕遇地震作用下的弹性时程分析和弹塑性时程分析，充分比较了时程分析获得的计算结果，包括顶点位 移时程曲线、基底剪力时程曲线、楼层位移角包络曲线以及地震作用下整体结构的能量反应规律．结果表明弹塑 性分析模型在结构进入弹塑性阶段之后，结构刚度降低，与弹性分析结果相比，结构的地震反应程度更小且存在滞 后现象．有关论述和方法可为同类研究提供参考． 关键词超高层；框架一核心筒结构；混合结构；弹塑性分析；时程分析 中图分类号T U9 7 3 ．1 4文献标志码A文章编号0 2 5 4 0 0 3 7 2 0 1 3 0 4 0 5 2 9 0 7 C o m p a r a t i v eS t u d yB e t w e e nE l a s t i ca n dE l a s t i c - P l a s t i cA n a l y s i so n S u p e rH i g h r i s eS t e e lF r a m e - C o r eW a U S t r u c t u r e s Y A OG u o ．h u a n g ‘一，W A N GW e i ．h u a 3 ，C H E NY i ．y a n 2 1 ．D e p a r t m e n to fC i v i lE n g i n e e r i n g ，T s i n g h u aU n i v e r s i t y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 4 ，C h i n a ； 2S h e n z h e nM u n i c i p a lD e s i g n R e s e a r c hI n s t i t u t eC o ．，L t d ，S h e n z h e n518 0 2 9 ，C h i n a ； 3 ．C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g ，H u a q i a oU n i v e r s i t y ，X i a m e n3 6 1 0 2 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h eF E Mp a c k a g eA B A Q U Sw a sa d o p t e dt oe s t a b l i s ht h ef i n eF E Mm o d eo fs u p e rh i g h - r i s e s t e e lf r a m e ．R ．C ．c o r ew a l ls t r u c t u r e ．T h ee l a s t i ca n de l a s t i c - p l a s t i ct i m eh i s t o r ya n a l y s i so ft h es t r u c t u r e u n d e rr a r e l ym e te a r t h q u a k ew a sc a r r i e do u ti nt h i s p a p e r ．T h e c a l c u l a t e dr e s u l t si n c l u d i n gv e r t e x d i s p l a c e m e n tt i m e - h i s t o r yc u r v e s ，b a s a ls h e a rt i m e h i s t o r yc u r v e s ，f l o o rd i s p l a c e m e n ta n g l ee n v e l o p e c u r v e ，a n de n e r g yr e s p o n s el a wo ft h ew h o l es t r u c t u r ew e r ea t t a i n e d ．R e s u l t ss h o w t h a tt h es t r u c t u r e s t i f f n e s sw i l lr e d u c ew i t ht h es t r u c t u r ee n t e r i n gi n t ot h ee l a s t i c - p l a s t i cs t a g e ．C o m p a r e dw i t h e l a s t i c a n a l y s i sr e s u l t s ，t h ee l a s t i c p l a s t i ca n a l y s i s w i l lo b t a i ns m a l l e re a r t h q u a k er e s p o n s e ．T h em e t h o d m e n t i o n e di nt h i sp a p e rm a yb er e f e r r e df o rc o r r e l a t i v er e s e a r c h ． K e yw o r d s s u p e rh i g h r i s e ；f r a m e - c o r ew a l ls t r u c t u r e ；h y b r i ds t r u c t u r e ；e l a s t i c - p l a s t i ca n a l y s i s ；t i m e h i s t o r ya n a l y s i s 长期以来中国超高层建筑一般采用钢筋混凝土 结构体系，而钢一混凝土混合结构体系在中国超高层 建筑中应用只是近些年才兴起的．钢一混凝土混合 结构体系具有钢结构体系和混凝土结构体系的优 收稿日期2 0 1 l - 0 5 一1 2 ． 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 0 0 8 1 7 1 ；中国博士后科学基金资助项目 2 0 1 1 0 4 9 0 4 1 7 ． 作者简介尧国皇 1 9 8 0 一 ，男，博士后，高级工程师，注册咨询工程师，主要从事结构工程方面的研究，E - m a i l y a o g h s z m e d i 北京工业大学学报 点，承载力高、延性好、变形能力强，因此具有较强的 抗风和抗震能力，从而具有较好的综合经济效 益u 圳．高层建筑混凝土结构技术规程1 给出了 钢一混凝土混合结构体系的定义，高层建筑钢一混 凝土混合结构设计规程L 4 ] 则对高层建筑混凝土 结构技术规程中混合结构体系的概念范围作了扩 展，指出混合结构指由钢框架 或钢支撑框架 或 钢组合框架与钢筋混凝土筒体 或钢筋混凝土剪力 墙 共同工作所构成的结构体系．这类结构体系的 抗震性能，尤其是在罕遇地震作用下的弹塑性工作性 能一直是学术界和工程界关注的热点问题之一旧1 ． 本文利用非线性有限元软件包A B A Q U S 建立 了超高层钢框架一钢筋混凝土核心筒结构的精细有 限元模型，对其进行了罕遇地震作用下的弹性时程 分析和弹塑性时程分析，通过比较时程分析获得的 计算结果，包括基底剪力时程曲线、顶点位移时程曲 线和楼层位移角包络曲线以及地震作用下整体结构 的能量反应规律，更为清晰地揭示这类结构体系的 弹塑性工作性能． 1 有限元模型的建立 设计的典型分析模型为一个4 0 层钢框架一钢筋 混凝土核心筒结构的超高层办公楼，结构总高度为 1 6 0m ，各层高均为4m ，各层的结构平面布置相同， 如图1 所示，未标注的梁为次梁G L ，结构标准层平 面尺寸为2 7m 2 7m ，柱距9m ． L G K LG K Le K L J 一一 2 墙 鹭譬 oo o 体 J ‘ 墙墙墙 棰- a - 害 体体体 ／、三四五 、 墙 J 体 一一 蟹譬嗣 。o o 、 G K L ， G K L r， G K L ， 图1 结构平面布置 F i g ．1 P l a no ft h es t r u c t u r e 结构设计使用年限5 0a ，设防烈度7 度 0 ．1 5 g ，l I 类场地，设计地震分组为第1 组．结构主要构 件尺寸见表1 ．外框架柱采用箱形截面钢柱，框架梁 采用焊接H 型钢．混凝土楼板厚1 2 0m m ，虫1 0 2 0 0m m 双向双层配筋．框架梁和框架柱钢材为 Q 3 4 5 B 钢，核心筒混凝土强度等级为C 4 0 ，楼板混凝 土强度等级为C 3 0 ．楼面附加恒载为2 ．0k N ／m 2 ，活 载为3 ．0k N ／m 2 ． 表1 计算模型参数 T a b l e1P a r a m e t e r sf o rt h ee a l c u l a t e dm o d e I 以下介绍采用A B A Q U S 软件建立的典型超高 层钢框架一钢筋混凝土核心筒结构的基本步骤和相 关参数的输入． 1 ．1 几何模型建立 在A B A Q U S 软件中建立几何模型具体步骤为 1 根据构件的截面尺寸，在A B A Q U S 软件的前处 理模块中分别建立框架、楼板、核心筒3 个部件；2 根据结构各组成部分的平面位置和空间位置，将3 个部件组装在一起；3 分别给各部件划分网格，网 格划分时注意使连接处的节点一致；4 在A B A U Q S 软件的I n t e r a c t i o n 模块，采用相关约束关系命令建 立3 个部件之间的连接． 1 ．2 钢和混凝土本构关系模型 钢材采用A B A Q U S 软件中提供的等向弹塑性 模型，满足V o nM i s e s 屈服准则，该模型多用于模拟 金属材料的弹塑性性能“ 1 ．钢的拉、压应力一应变曲 线为理想弹塑性等向强化二折线模型，初始塑性应 变为f i e 。，破坏应变取为0 ．1 5 ，强化段E ’ 0 ．0 1 E ． 混凝土采用A B A Q U S 软件中的塑性损伤模 型”1 ，可分析存在微裂缝和微空洞的有损伤材料及 第4 期尧国皇，等超高层钢框架一核心筒结构弹性与弹塑性时程分析结果对比研究5 3 1 这些损伤的扩展与演变，直至混凝土宏观破坏形成 的全过程．其特点是以损伤指标作为构件进入塑 性及破坏程度的判断标志，能考虑地震作用过程中 往复荷载作用下的裂缝闭合所引起的刚度恢复，在 循环荷载作用下，受拉开裂的混凝土反向受压后，其 抗压强度完全恢复；压碎的混凝土反向受拉，其抗拉 强度完全丧失．混凝土的单向应力一应变曲线按混 凝土结构设计规范 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 1 0 M ’附录c 中 的C ．2 公式确定，混凝土单轴受压和受拉应力一应 变关系曲线如图2 所示． ≈ 山 暑 ＼ 穴 型 图2 混凝土应力一应变关系曲线 F i g ．2 S t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i po fc o n c r e t e 相关的研究表明，混凝土的塑性损伤模型可较 好地模拟混凝土在一次加载下单轴、双轴拉一压等 复杂受力状态下及往复荷载作用下的工作性能引． 混凝土的塑性损伤模型可较好地模拟混凝土的塑性 性能和在反复荷载作用下的刚度退化，它使用非关 联多硬化塑性和各向同性损伤弹性相结合的方式描 述混凝土破碎过程使得塑性损伤模型具有更好的收 敛性‘5 1 ． 1 ．3 单元类型的选择 分析模型中的梁柱采用A B A Q U S 中的B 3 1 单 元，楼板和剪力墙采用S 4 R 单元．板和墙中的分布 钢筋采用R e b a rl a y e r 命令输入．核心筒剪力墙暗柱 配筋采用等效箱形截面钢柱进行模拟．分析模型中 壳单元数量为3 52 9 4 个，梁单元数量为1 15 2 0 个． 1 ．4 地震波输入 地震波为双向地震输人，输入点为有限元分析 模型底部节点，沿结构第一振型和第二振型方向输 入地震波．峰值加速度按照x Y 1 0 ．8 5 输入．时 程分析输入E IC e n t r o 波，峰值加速度调整为3 1 0 g a l ，加速度时程波形图如图3 所示． 坦 1 Ⅱ匦 图3 E IC e n t r o 波形 F i g ．3 E 1C e n t r ow a v e f o r m 1 ．5 阻尼系统的选择 结构动力时程分析过程中，阻尼取值对结构动 力反应的幅值有较大影响．在弹性分析中，通常采 用振型阻尼孝来表示阻尼比，根据建筑抗震设计规 范 G B 5 0 1 1 2 0 l O 一。规定，结构在罕遇地震下的 振型阻尼f 取0 ．0 5 ．由于采用A B A Q U S 软件进行结 构的动力弹塑性分析时，基于材料本构关系，无结构 阻尼的概念，相应指标为材料阻尼和刚度阻尼，分析 时采用了瑞雷阻尼体系．瑞雷阻尼分为质量阻尼a 和刚度阻尼口两部分，其与振型阻尼的换算关系如 式 1 所示”J f 共 知 1 阶2 蕊 - ％剖 ㈤ 式中a f 而2 0 0 i ‘o j ；卢 f i { 五5 ∞i 和嘶为结构的 圆频率． 图4 所示建立的三维非线性有限元分析模型． 结构几何模型建立后，对模型进行网格划分，采用 网格实验来保证模型的计算精度，对于核心筒剪 力墙、框架柱等重要构件，网格相应加密，对于楼 板等构件，网格相对略粗，但最大单元尺寸不超过 2i n ，本文计算模型中最大单元尺寸控制在Im 以内． 5 3 2北京工业大学学报 2 0 1 3 笠 a 三维模型 c 楼板 d 核心筒 图4 有限元计算分析模型 F i g ．4 F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l 2 有限元模型的验证 在进行动力弹塑性分析前对结构非线性模型 以下简称A B A Q U S 模型 的各主要弹性性能指标 与软件E T A B S 弹性模型结果进行了对比分析，结果 如下 1 模型总质量E T A B S 模型为2 9 ．6 4 9 万t D L 0 ．5 L L ；A B A Q U S 模型为3 0 ．2 4 3 万t D L 0 ．5 L L ， 模型的质量误差约为2 ％，D L 和L L 分别代表恒载 和活载； 2 周期与振型A B A Q U S 模型和E T A B S 模型 前9 阶自振周期的对比如表2 所示． 表2 周期比较 T a b l e2C o m p a r i s o no ft h ep e r i o d s 图5 为A B A Q U S 软件和E T A B S 软件计算获得 的前6 阶振型模态对比，其中第1 振型为l ，向平 动；第2 振型为x 向平动；第3 振型为扭转．弹性模 型和弹塑性分析计算结果的对比表明，A B A Q U S 弹 塑性分析模型与E T A B S 弹性分析模型的动力特性 一致，可认为用于罕遇地震作用下的结构动力弹塑 性分析的计算模型准确． 3 弹性和弹塑性分析结果的对比 基于上述有限元分析模型进行结构在大震作用 下的弹性时程和弹塑性时程分析，计算结果包括顶 点位移时程曲线、基底剪力时程曲线、楼层位移角包 络曲线以及地震作用下整体结构的能量反应规律， 通过上述分析结果的对比，研究此类结构体系的弹 塑性工作性能． 3 ．1 顶点位移时程曲线的比较 图6 为大震弹塑性分析和大震弹性分析顶点位 移时程曲线的比较．在地震波输入初期，由于结构 处于弹性阶段，材料无刚度和强度的退化，弹性分析 和弹塑性分析计算结果基本重合，随着地震波的不 断输入，弹性分析获得顶点最大位移比弹塑性分析 的计算结果大．弹塑性分析模型在结构发生损伤和 刚度降低以后，弹塑性模型顶点位移的时程曲线相 比弹性模型出现明显滞后，且这种滞后趋势随地震 波的不断输入逐渐增加．对于本文计算算例参数， 在约4s 以前，弹塑性与弹性计算结果基本重合，表 瓣一 第4 期 尧国皇，等超高层钢框架一核心筒结构弹性与弹塑性时程分析结果对比研究 5 3 3 第1 振型 第2 振型 第1 振型 第2 振型 第3 振型 第4 振型第5 振型 a A B A Q u s 计算 ．逝 第6 振型 第3 振型第4 振型 第5 振型第6 振型 b E T A B S 计算 图5 振型模态的比较 F i g ．5C o m p a r i s o no fm o d es h a p e s 图6 结构顶点位移时程曲线的对比 F i g ．6C o m p a r i s o no fv e r t e xd i s p l a c e m e n tt i m e h i s t o r yc u r v e s 明此时刻之前，结构还未进入塑性阶段，此时刻之 后，计算结果差异随地震波的不断输入逐渐增大． 3 ．2 基底剪力时程曲线的比较 图7 为大震弹塑性分析和大震弹性分析基底剪 力时程曲线的比较．由于结构在罕遇地震作用下出 现了塑性变形，混凝土发生损伤乃至破坏，结构的侧 向刚度随之减弱，使得大震弹塑性分析获得的最大 基地剪力比大震弹性分析的基地剪力小，对于本文 分析模型计算条件，弹塑性分析获得的最大基底剪 力约为弹性分析获得的最大剪力的6 0 ％． 3 ．3 楼层层间位移角包络曲线的对比 图8 为大震弹塑性分析和大震弹性分析计算获 得楼层最大层间位移角的包络曲线比较情况．大震 弹性分析获得的最大层间位移角的数值更大，而弹 性和弹塑性计算获得的最大层间位移角出现的楼层 基本一致，对于本文算例计算条件，对于弹性分析， 雾 5 3 4 北京工业大学学报 2 0 1 3 焦 Z 宴 、 R 称 Z 塞 ＼ R 猕 a X 向 t ／s ∞y 向 图7 结构基底剪力时程曲线的对比 F i g ．7 C o m p a r i s o no fs t r u c t u r a lb a s a ls h e a r t i m e h i s t o r yc u r v e s 嗵 整 层间位移角 a X 向 层间位移角 ∞y 向 图8 楼层层间位移角包络曲线 F i g ．8C o m p a r i s o no ff l o o rd i s p l a c e m e n t 蚰9 1 ee n v e l o p ec u r v e 最大层间位移角出现在3 7 层 x 向和y 向 ；对于弹 塑性分析，最大层间位移角出现在3 7 层 x 向 和 3 8 层 y 向 ． 3 ．4 整体结构能量反应分析 图9 为结构弹塑性分析和弹性分析计算获得的 结构能量输入时程曲线．在随着地震作用的不断输 入，结构输入的能量不断增加，在计算终止时刻达到 峰值，结构的动能在计算终止时趋近于零，它是一个 只参与能量转化而不参与结构能量吸收的变 量仉1 1 1 ．从图9 b 可见，由于结构始终处于弹性状 态，弹性计算时结构塑性耗能恒为零．对于弹塑性 计算，结构的塑性变形引起的耗能不断增加后趋于 平稳．通过比较可见，弹塑性计算和弹性计算结构 输入能量差别不大，但结构动能和结构塑性耗能差 别较大． 1 2 z ，S a 弹塑性计算 结构输入能量 图9 结构的能量反应比较 F i g ．9C o m p a r i s o no fs t r u c t u r a le n e r g yr e s p o n s e 通过以上的对比分析结果可见弹塑性分析模 型在结构进入弹塑性阶段之后，结构刚度降低，与弹 性分析结果相比，结构的地震反应程度更小且存在 滞后现象． 4 结论 1 该有限元模型可较好地用于该结构体系在 第4 期 尧国皇，等超高层钢框架一核心筒结构弹性与弹塑性时程分析结果对比研究 5 3 5 罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，能获得其顶点 位移时程曲线、基底剪力时程曲线、楼层位移角包络 曲线以及地震作用下整体结构的能量反应规律等弹 塑性响应． 2 与弹性分析结果相比，弹塑性分析模型在结 构进入弹塑性阶段后，结构刚度降低，地震反应程度 更小且存在滞后现象，并从有限元数值计算结果角 度对其差异进行了量化，揭示了这类结构弹塑性与 弹性时程分析结果之间的差异． 参考文献 [ 1 ] 李国强，张洁。上海地区高层建筑采用钢结构与混凝 土结构的综合经济比较分析[ J ] ．建筑结构学报， 2 0 0 0 ，2 1 2 7 5 7 9 ． L IG u o - 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