周康康 王 傲

（長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023）

0 引言

框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)相比于純框架結(jié)構(gòu)，能夠承受更大的側(cè)向力作用；和純剪力墻結(jié)構(gòu)相比，其結(jié)構(gòu)空間大，結(jié)構(gòu)重量輕，具有框架和剪力墻的特點(diǎn)，且抗震性能比這兩者更好，故被大量應(yīng)用于高層建筑以及超高層建筑結(jié)構(gòu)中[1-2]。目前，型鋼混凝土框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)已成為本專業(yè)研究的熱點(diǎn)[3]。本文通過ETABS軟件建立一個(gè)型鋼混凝土框架-核心筒有限元模型，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同地震作用下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，并對(duì)該結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行初步探討研究，并提出一些設(shè)計(jì)建議。

1 工程概況

某高層型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)用途為商業(yè)辦公樓，結(jié)構(gòu)層數(shù)共10層，層高為4m，該混合結(jié)構(gòu)的X向和Y向的尺寸分別為12m，剪力墻為普通鋼筋混凝土材料，采用雙向雙層鋼筋網(wǎng)，墻厚為250mm，尺寸為4m×4m，其中剪力墻南北兩個(gè)方向各開一個(gè)2m×2.5m的洞口?？蚣苤捎瞄L(zhǎng)寬截面尺寸均為600mm的矩形型鋼混凝土柱；框架梁采用鋼筋混凝土梁；樓板采用鋼筋混凝土材料，厚度為120mm。樓面恒載取3kN/m2，活載取2kN/m2。在8度抗震設(shè)防烈度下，Ⅱ類場(chǎng)地，周期為0.4s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。

2 有限元模型的建立

本文通過ETABS軟件對(duì)該高層混合結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值建模（見圖1）和地震作用下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析。ETABS是一個(gè)以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析為主的計(jì)算機(jī)軟件，以有限元分析技術(shù)為基礎(chǔ)，可以對(duì)不同體系的結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同類型的分析計(jì)算和設(shè)計(jì)，分析結(jié)果合理可靠[4]。在本次建模過程中，為了簡(jiǎn)便計(jì)算，樓板采用膜單元（剛性樓板）；剪力墻采用分層殼單元（Layer）模擬；型鋼柱采用ETABS中SD截面進(jìn)行設(shè)置。

圖1 ETABS有限元分析模型

3 模態(tài)分析

模態(tài)分析用來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，是動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析的基礎(chǔ)?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》中要求的計(jì)算振型數(shù)時(shí)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%。從模態(tài)分析結(jié)果可以得到：結(jié)構(gòu)的第一振型為Y方向的平動(dòng)，其周期為0.895s；第二振型為X方向的平動(dòng)，其周期為0.883s；第三振型為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，其周期為0.631s。結(jié)構(gòu)以扭轉(zhuǎn)振型為主的第三振型與平動(dòng)為主的第一振型周期的比值為0.705，滿足《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》[5]對(duì)該比值不應(yīng)大于0.8的規(guī)范要求。說(shuō)明扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)該結(jié)構(gòu)影響不明顯，故在計(jì)算過程中可不考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。本結(jié)構(gòu)取前15階振型計(jì)算時(shí)，可知X、Y、Z方向振型質(zhì)量累計(jì)參與分別為98%、96%、99%，滿足要求。故可取前15階振型進(jìn)行分析。

4 地震波的選取與輸入

4.1 地震波的選取

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中規(guī)定，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)時(shí)程分析時(shí)，必須選用不少于2組的實(shí)際強(qiáng)震記錄和一組人工模擬的加速度時(shí)程曲線。按照?qǐng)龅貤l件和設(shè)計(jì)地震分組選取地震波，且其平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。故本結(jié)構(gòu)時(shí)程分析最終采用PEER地震波庫(kù)中的三條地震波，分別為RSN40_BORREGO_A-SON033波（以下簡(jiǎn)稱N40波）、RSN67_SFERN_ISD014波（以下簡(jiǎn)稱N67波）和一條人工波。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，由于該場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8度，因此在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇和罕遇地震作用下的動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)，需分別將其加速度峰值調(diào)整為700mm/s2和4000mm/s2，持續(xù)時(shí)間為40s，時(shí)間間隔為0.02s。圖2為其調(diào)整好的罕遇地震下三條地震波的加速度時(shí)程曲線。

圖2 選取的三條地震波罕遇地震下加速度時(shí)程曲線

4.2 地震波輸入方法

本結(jié)構(gòu)在進(jìn)行地震作用下的時(shí)程分析時(shí)考慮了每組地震波的雙重作用，即考慮雙向地震的作用，各地震分量輸入沿X、Y向分別輸入。此次輸入以X向?yàn)橹?，即X向與Y向的加載系數(shù)分別為1和0.85。

5 地震作用下彈塑性時(shí)程分析

5.1 多遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析

將以上三種地震波的峰值加速度調(diào)幅至規(guī)范規(guī)定的8度多遇地震下的加速度700mm/s2，作為結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)輸入。在多遇地震波N40波作用下，結(jié)構(gòu)在19.96s時(shí)的最大基底剪力為9526.4kN，最大層間位移角為1/1819，在多遇地震波N67波作用下，結(jié)構(gòu)在20.16s時(shí)的最大基底剪力為13690.22kN，最大層間位移角為1/1184，在多遇地震波人工波作用下，結(jié)構(gòu)在19.62s時(shí)的最大基底剪力為10106.58kN，最大層間位移角為1/1679，三種地震波下的最大層間位移角值均小于規(guī)范規(guī)定的多遇地震下型鋼混凝土框架-核心筒的最大層間位移角1/800的規(guī)定，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在多遇地震下處于彈性狀態(tài)，滿足“小震不倒”的抗震設(shè)防要求。

5.2 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析

5.2.1 基底剪力時(shí)程分析

將以上三條地震波的峰值加速度調(diào)幅至規(guī)范規(guī)定的8度罕遇地震下的加速度4000mm/s2，分別對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制圖3，由圖3可知，采用N40波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析時(shí)，得到結(jié)構(gòu)的最大基底剪力為30197.86kN，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為29.96s；采用N67波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析時(shí)，得到結(jié)構(gòu)的最大基底剪力為33983.28kN，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為29.82s；采用人工波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的最大基底剪力為32014.41kN，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為19.7s。

圖3 三種地震波下的基底剪力時(shí)程曲線

5.2.2 頂點(diǎn)位移時(shí)程分析

采用N40波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，根據(jù)分析結(jié)果繪制圖4。由圖4可知，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移最大為94.57mm，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為20.12s；采用N67波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，可知結(jié)構(gòu)的頂層位移最大為123.38mm，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為20.9s；采用人工波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的頂層位移最大為106.47mm，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為19.72s。

圖4 三種地震波下的頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線

5.2.3 最大彈塑性層間位移角分析

由圖5可知：采用N40波計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/347；采用N67波計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/274；采用人工波計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/298。三條地震波得到的各樓層最大層間位移角變化趨勢(shì)大致相同，最大層間位移角基本都出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中部，滿足規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)在8度罕遇地震下的最大層間位移角不大于1/100的要求。

圖5 結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的最大層間位移角曲線

5.2.4 結(jié)構(gòu)塑性鉸

由上述分析可知，結(jié)構(gòu)在N67波下的地震作用最為明顯，故取其中一條地震波N67波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，以塑性鉸為例，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在罕遇地震下塑性鉸的出現(xiàn)及分布。分析結(jié)果可知：結(jié)構(gòu)在4s時(shí)開始在中部出現(xiàn)塑性梁鉸，隨著時(shí)程分析的進(jìn)行，在10s左右結(jié)構(gòu)下半部出現(xiàn)大量塑性梁鉸，20s時(shí)結(jié)構(gòu)上部開始出現(xiàn)塑性鉸，下部的梁基本都進(jìn)入了塑性階段，40s時(shí)大部分框架梁基本上進(jìn)入了塑性階段，而從始至終型鋼混凝土框架柱未出現(xiàn)塑性鉸，說(shuō)明型鋼混凝土柱始終處于彈性狀態(tài)，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的“強(qiáng)柱弱梁”的要求。

從以上結(jié)果分析可知，盡管結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下出現(xiàn)了一定量的塑性梁鉸，但型鋼框架柱并未出現(xiàn)塑性鉸，說(shuō)明框架柱結(jié)構(gòu)處于彈性階段，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生倒塌現(xiàn)象。并且從結(jié)構(gòu)的最大層間位移角和基底剪力指標(biāo)來(lái)看，結(jié)構(gòu)仍具有比較好的承載能力和延性。據(jù)此可說(shuō)明，該型鋼混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)能夠承受8度罕遇地震的作用，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。

5.2.5 核心筒剪力墻

選取N67波對(duì)該結(jié)構(gòu)核心筒進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，以其應(yīng)變結(jié)果來(lái)說(shuō)明核心筒的變化。選取結(jié)構(gòu)在頂層位移最大值時(shí)，在29.9s時(shí)對(duì)應(yīng)的分層殼剪力墻的應(yīng)變值。分析結(jié)果如下：核心筒在底層的應(yīng)變最大，尤其在核心筒底部發(fā)生了嚴(yán)重破壞，最大應(yīng)變?yōu)?.00485，大于混凝土的極限應(yīng)變，說(shuō)明核心筒底部混凝土已完全破壞。結(jié)構(gòu)中上部應(yīng)變較小，未超過峰值應(yīng)變，中上部處于不屈服狀態(tài)。因此，可通過增大底部核心筒的厚度來(lái)改善該狀況。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過選取三條地震波對(duì)型鋼混凝土框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析、多遇地震和罕遇地震下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，得出如下結(jié)論：

（1）在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)為沿Y方向的平動(dòng)，對(duì)應(yīng)的平動(dòng)周期值為0.895s；第二階模態(tài)為沿X方向的平動(dòng)，對(duì)應(yīng)的平動(dòng)周期值為0.883s；結(jié)構(gòu)第三階模態(tài)為沿Z方向的扭轉(zhuǎn)模態(tài)，對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)周期值為0.631s；第一階扭轉(zhuǎn)周期與第一階平動(dòng)周期之比為0.705，滿足規(guī)范限值要求。

（2）在8度多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件未出現(xiàn)損壞情況，滿足“小震不壞”的要求。多遇地震作用下最大層間位移角為1/1184，滿足規(guī)范的要求。

（3）在8度罕遇地震作用下，塑性鉸基本出現(xiàn)在框架梁端部，框架柱未出現(xiàn)塑性鉸，滿足規(guī)范中“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)要求。罕遇地震波作用下的最大層間位移角為1/274，滿足規(guī)范要求的限值。

（4）在所選取的8度罕遇地震波作用下，除核心筒的底部出現(xiàn)部分壓碎外，其他豎向承重構(gòu)件均未產(chǎn)生破壞，滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防要求。

（5）在型鋼混凝土框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)中，在地震波作用下，結(jié)構(gòu)的受力主要在中下部，以核心筒作為第一道防線，框架結(jié)構(gòu)作為第二道防線。故在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)適當(dāng)提高核心筒下面幾層的厚度，用以增強(qiáng)核心筒的強(qiáng)度。總體而言，在高層及超高層設(shè)計(jì)中，可優(yōu)先考慮型鋼混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。