薛 梅 張 騰

(航天建筑設計研究院有限公司，北京 100071)

1 工程概況

該辦公樓為型鋼混凝土框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，其中外框架由鋼骨混凝土柱、鋼梁組成，核心筒由鋼筋混凝土剪力墻組成。地上30層主體+2層出屋面塔樓，建筑地上總高度125m，平面基本尺寸為48m*48m，首層5.0m，其它層高均為4.0m。核心筒內(nèi)采用鋼筋混凝土樓板，核心筒與外框架之間采用壓型鋼板組合樓板。典型平面見圖1。

項目所在地抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度0.2g。

外框架區(qū)域荷載取值為：恒載4.5kN/m2（包括樓板自重），活載3.5kN/m2；核心筒區(qū)域荷載取值為：恒載5.0kN/m2（包括樓板自重），活載 5.0kN/ m2。外幕墻取恒載1.5 kN/m。

圖1 標準層平面布置圖

根據(jù)我國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）和《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）的規(guī)定，對本工程進行了罕遇地震（大震）作用下的彈塑性變形驗算，其最終目標在于：

1、研究結(jié)構(gòu)在大震作用下的基底剪力、剪重比、層間位移角是否滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，評價結(jié)構(gòu)在大震作用下的抗震性能，確定結(jié)構(gòu)是否滿足“大震不倒”的設防水準要求；

2、檢驗核心筒內(nèi)墻肢、連梁的損傷情況；

3、檢驗型鋼混凝土柱及型鋼鋼骨的受力情況；

4、根據(jù)以上分析結(jié)果，與基于性能的目標進行比較，以指導結(jié)構(gòu)設計。

本辦公樓采用三維結(jié)構(gòu)非線性分析與性能評估軟件ABAQUS對結(jié)構(gòu)進行彈塑性時程分析[1]，以評價結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性行為。

2 動力彈塑性時程反應分析的參數(shù)選取

2.1 分析方法

本例中使用的動力彈塑性分析方法采用直接模擬結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的非線性反應，分析中主要考慮了幾何非線性和材料非線性。

2.2 材料模型

采用混凝土彈塑性損傷模型[2]，當荷載從受拉變?yōu)槭軌簳r，混凝土材料的裂縫緩慢閉合，軸向剛度由原來的抗拉剛度恢復至原有的抗壓剛度；當荷載從受壓變?yōu)槭芾瓡r，混凝土材料的抗拉剛度不恢復，如圖2～圖4所示[3][4]。鋼材材料采用考慮包辛格效應的雙線性隨動硬化模型，此模型在循環(huán)過程中不考慮剛度退化，如圖5所示。

圖2 混凝土受壓應力應變本構(gòu)關系

圖3 混凝土受拉應力應變本構(gòu)關系

圖4 混凝土拉壓往復時剛度恢復示意圖

圖5 鋼材本構(gòu)關系

2.3 單元選取

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力及彈塑性行為，主要選用的單元有：

（1）核心筒剪力墻、連梁采用四邊形或三角形縮減積分SR4殼單元。

（2）框架柱、框架梁等構(gòu)件纖維截面模型B31梁單元。

2.4 模型校核

為保證ABAQUS模型的正確性，采用ETABS、ABAQUS兩種軟件進行對比。兩種軟件所建模型的重力荷載代表值和動力特性基本一致，證明了ABAQUS模型的正確性。

2.5 地震動參數(shù)與地震波信息

由于篇幅有限，本文列出了兩條天然地震波（L725、L787）的分析數(shù)據(jù)，考慮了每組地震波的兩向分量，即各向地震分量沿結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的水平向（X、Y向）分別輸入。水平X向、水平Y(jié)向的加速度峰值按照抗震規(guī)范1：0.85的比例系數(shù)進行調(diào)整。

2.6 檢驗指標

（1）罕遇地震下，結(jié)構(gòu)層間位移角滿足不大于1/100的要求。

（2）型鋼梁允許的塑性轉(zhuǎn)角（參照ASCE41 Table5-6）

θy，E為彈模，F(xiàn)為屈服強度，l為梁長度，Z為塑性截面模量，Ib為慣性矩，bf為翼緣寬度，tf為翼緣厚度，tw為腹板厚度，h為腹板高度。

（3）剪力墻連梁塑性鉸允許范圍（參照ASCE41 Table6-7）

允許的塑性轉(zhuǎn)角V bdimages/BZ_282_356_1340_430_1392.png IO LS CP/( )w≤3 0.010 0.02 0.025≥6 0.005 0.01 0.02其余情況 線性插值

V為剪力，bw為截面有效寬度，d為截面有效高度，fc’為混凝土抗壓強度設計值。

3 結(jié)構(gòu)動力反應分析結(jié)果

選用每個樓層角部框架柱處對應的樓層位移角，以各角點處層間位移角最大值作為此層的層間位移角。根據(jù)不同地震波對應的結(jié)構(gòu)層間位移角隨樓層變化曲線，結(jié)構(gòu)在X方向的最大層間位移角分別為1/86（第21層）、1/72（第3層）。

4 構(gòu)件抗震性能評價

1）核心筒墻肢混凝土受壓塑形損傷因子均小于 0.2，說明基本上處于彈性狀態(tài)。

2）大震下大部分連梁受壓損傷因子介于0.6～0.9之間，受拉損傷因子大于0.8，說明進入塑性形成塑性鉸。應該采取嚴格的縱筋錨固和箍筋加密，或者增設部分鋼骨暗梁和暗撐，保證連梁在大震作用下能耗散大部分的地震能量。

3）框架柱混凝土受壓大部分處于彈性，但在少數(shù)樓層的混凝土極限總應變達到 0.235，大于混凝土極限壓應變，出現(xiàn)壓酥現(xiàn)象。框架柱內(nèi)鋼骨最大應力為256MPa，小于屈服應力300MPa。

4）鋼框架梁大部分構(gòu)件仍然處于彈性，底部部分樓層的框架梁進入塑性，構(gòu)件最大塑性應變?yōu)?.00232，遠小于鋼材極限應變。

5 結(jié)論

根據(jù)罕遇地震作用下動力彈塑性時程反應分析，對結(jié)構(gòu)的抗震性能作如下綜合評價：

1）結(jié)構(gòu)的最大層間位移角不滿足規(guī)范關于彈塑性位移1/100的限值要求，需要采取措施增大整個結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。

2）構(gòu)件的抗震性能除個別需要采取嚴格的抗震構(gòu)造措施，其他都滿足大震下的抗震要求。