某超高层结构大震弹塑性分析

摘要： 某超高层结构较为复杂，按照规定须进行大震下的性能指标分析，以校核其设计方案是否满足抗震的基本要求.通过Abaqus的非线性动力时程分析，得到该结构的性能指标和薄弱部位.这为设计方案的优化提供依据，并为该类分析的标准化提供参考.

关键词： 大震； 弹塑性； 超高层结构； Abaqus

中图分类号： TU312； TB115.1文献标志码： B

引言

本文项目由若干栋楼宇组成，其中主楼高186 m，为超高层，采用采用混合框架（钢骨柱钢梁）混凝土核心筒结构.主楼地上建筑面积为67 628.9 m2，标准层平面尺寸为42 m×42 m，核心筒尺寸为27.8 m×18.7 m，外框架柱柱距8.4 m.主楼并附有裙房，其地上4层，与主楼连为一体.

1基本设计参数和结构方案

根据相关规范和地勘报告等资料，可以确定该建筑结构的基本设计参数，见表1.本文结构为梁板体系，竖向载荷通过楼板传给楼层梁，再将竖向力传至框架柱和核心筒，最终传至基础.地下1层和地上1层楼盖采用现浇钢筋混凝土梁板体系，1层以上各楼层均为钢梁现浇混凝土楼板体系，核心筒内楼板采用现浇混凝土楼板.

表 1基本设计参数项目参数建筑结构安全等级二级结构设计使用年限50 a结构设计基准期50 a结构重要性系数1.0建筑抗震设防分类重点设防类（乙类）抗震设防烈度8°，0.2 g多遇地震下阻尼比0.04罕遇地震下阻尼比0.05设计地震分组第一组场地类别III类场地特征周期0.45 s

典型楼层楼板厚度为120 mm（2～27层）和100 mm（28层及以上），1层（嵌固层）及屋面楼板厚度加厚至200 mm.

利用位于塔楼平面中部的垂直交通电梯井和楼梯间布置钢筋混凝土剪力墙，形成核心筒，构成结构的主要抗侧力构件，承担大部分的水平剪力，是第一抗侧力体系.核心筒外墙厚度从底部的900 mm缓慢过渡到顶部的450 mm，内墙由底部的350 mm收到顶部的300 mm.保证核心筒的刚度沿竖向均匀变化，避免突变.混凝土强度等级为C60～C40.

考虑到核心筒外墙在地震作用下受力很大，为延缓核心筒弯曲铰和剪力铰的出现，提高墙体承载能力，在主楼底部加强区范围内，外墙墙肢端部布置型钢暗柱.

主楼底部（16层以下）的平面尺寸为42 m×42 m，轴线间距为8.4 m.从17层开始，根据建筑立面要求，外圈框架柱逐层内收，至顶部收为37.8 m×37.8 m，框架柱倾斜角度约为1.3°.

结构三维整体模型见图1.

参照相关资料[12]可知，本文结构为超高层结构，已达到建筑结构超限审查的范围，故须针对超限指标采取特殊措施，并进行相关的校核验算，包括针对“大震不倒”这一设计要求进行验算.

本文项目选择Abaqus软件作为大震相关计算的工具.Abaqus软件在可靠性，以及本行业的适用性方面已得到广泛认可，是大震验算最为合适的工具.

2模型校核

Abaqus模型对建筑结构各类构件分别考虑其力学建模.剪力墙采用四节点缩减积分壳单元S4R，沿厚度方向设置9个积分点，考虑其厚度方向的渐进破坏过程，利用REBAR LAYER设置墙体内部的分布钢筋；楼板采用四节点缩减积分壳单元S4R；梁、柱、斜撑和墙内钢骨采用考虑弯矩与横向剪切的三维梁单元B31；暗柱配筋和连梁配筋等采用三维桁架单元T3D2和Rayleigh阻尼模拟.采用Abaqus软件进行大震验算的第一步，是确保Abaqus模型与设计模型一致.结构总质量对比见表2，结构自振周期对比见表3.

3大震计算结果

计算采用2条场地相近的天然地震波和1条依据项目所在场地特性生成的人工波.由于结构有明显的强轴和弱轴，故每组地震波只作一次计算.

3.1基底剪力

3条波下得到的基底剪力数据统计见表4.可知，大震弹塑性与大震弹性的基底剪力比值约为60%，说明在8°罕遇地震作用下结构构件进入弹塑性状态，整体损耗明显.在罕遇地震下，框架承担20%～25%的基底剪力，框架部分抗侧刚度较大.

3.2顶点位移

三条波下结构顶点位移数据统计见表5，可知，在罕遇地震作用下，结构最大顶点位移为1.62 m，为结构总高的1/111.

3.3顶点加速度

3.4层间位移角

3条波下得到的最大层间位移角数据见表7.可知，最大弹塑性层间位移角为1/105（n=7，天然波2），均小于1/100，满足《抗震规范》和《高规》对框架核心筒结构的弹塑性层间位移角限值要求.在3条地震波作用下，弹塑性层间位移角分布曲线存在着相同或相近的变化规律，沿竖向基本连续均匀变化，不存在明显的变形集中现象.