基于MS模型的剪力墻-核心筒結(jié)構(gòu)的高層建筑三維非線性動(dòng)力破壞分析

1、基于MS模型的剪力墻-核心筒結(jié)構(gòu)的高層建筑三維非線性動(dòng)力破壞分析第26卷第2期2006年5月voI.26No.2May2006基于MS模型的剪力墻一核心筒結(jié)構(gòu)的高層建筑三維非線性動(dòng)力破壞分析'陳健云,李靜,方明霽.(1.大連理工大學(xué)海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116024;2.同濟(jì)大學(xué),上海200092)摘要:采用非線性多彈簧彈塑性有限元模型,對(duì)我國(guó)一座最高的民用超高層鋼筋混凝土剪力墻一核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性地震響應(yīng)破壞分析通過(guò)分級(jí)加栽分析了不同地震烈度下超高層建筑從彈性,塑性直至失效的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的整個(gè)過(guò)程,并采用靜力PushOver方法和1/50比足的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)進(jìn)行

2、了破壞分析結(jié)果說(shuō)明超高層建筑的最薄弱位置在1/2到2/3之間高度處.非線性數(shù)值分析的結(jié)果和振動(dòng)臺(tái)模型破壞試驗(yàn)現(xiàn)象符合一致.關(guān)鍵詞:高層建筑;多彈簧模型I彈塑性分析中圍分類號(hào);0322;TU973文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-2132(2006)02-0147-060引言高層結(jié)構(gòu)的非線性地震反響分析是結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的根底研究?jī)?nèi)容之一,它在很大程度上制約或推動(dòng)著高層結(jié)構(gòu)抗震理論和設(shè)計(jì)水平的開(kāi)展,因而一直是國(guó)內(nèi)外進(jìn)行高層結(jié)構(gòu)抗震研究的主要內(nèi)容E引.結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下進(jìn)入彈塑性階段后,其內(nèi)力和變形的變化十分復(fù)雜.屢次震害說(shuō)明,由于地震動(dòng)的多維性,它對(duì)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的作用是空間的,因此將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成平面

3、模型并只考慮單向地震動(dòng)作用的彈塑性分析不能全面反映和揭示結(jié)構(gòu)地震反響的本質(zhì).本文針對(duì)我國(guó)一座最高的民用鋼筋混凝土超高層建筑進(jìn)行研究,該結(jié)構(gòu)體系形式為剪力墻一核心筒結(jié)構(gòu),抗震設(shè)防烈度為7度,場(chǎng)地類別為1I類結(jié)構(gòu)高度為156m,高寬比為6.24,這兩項(xiàng)指標(biāo)均超過(guò)?鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程?(JGJ391)中的限值.因此,對(duì)其抗震特性進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究可以為我國(guó)地震區(qū)超高層建筑的開(kāi)展提供有益的經(jīng)驗(yàn)L6】.本文采用三維非線性多彈簧(MS)彈塑性模型分析了此結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力和破壞特性,結(jié)構(gòu)的最不利高度和水平面內(nèi)的最不利構(gòu)件.研究了高層結(jié)構(gòu)從彈性變形,發(fā)生局部彈塑性變形,接近彈塑性極限變

4、形以及最終完全破壞的整個(gè)過(guò)程,并與振動(dòng)臺(tái)模型破壞試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了比照.單元模型及本構(gòu)關(guān)系本文采用多彈簧模型(MS)(文獻(xiàn)8)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析.MS是一種比擬精細(xì)的計(jì)算模型,由1組表達(dá)鋼筋材料或混凝土材料剛度的軸向彈簧組成,可以考慮結(jié)構(gòu)中每個(gè)構(gòu)件的力和變形關(guān)系,找出比擬準(zhǔn)確的薄弱部位,得到每個(gè)構(gòu)件的反響結(jié)果(所需要的承載力和延性).同時(shí)考慮結(jié)點(diǎn)和單元之間的鉸接,剛接或半剛接.采用彈簧單元模擬根底對(duì)結(jié)構(gòu)的支撐作用,從而考慮地基根底與上部結(jié)構(gòu)的相互作用.對(duì)于鋼筋混凝土柱,每l根鋼筋可用1個(gè)鋼彈簧來(lái)代表,混凝土局部可以適當(dāng)分割,用I組混凝土彈簧來(lái)表示(圖1).用多彈簧模型表達(dá)的柱單元可以模擬單元的

5、彎曲,剪切,軸向伸縮等各變形分量的力和變形關(guān)系,以及雙向受彎和軸向荷載之間的相互作用.MS單元模擬的剪力墻和柱模型如圖2所示.采用彈塑性本構(gòu)考慮梁,柱,墻等構(gòu)件的動(dòng)力非?收稿日期:20050305;修回日期:200511-04基金工程;遼寧省自然科學(xué)基金資助工程(20022130)作者簡(jiǎn)介:陳健云(1968一),男,教授,博導(dǎo).主要從事結(jié)構(gòu)抗震研究.Email:eerdOO 唱_一報(bào)學(xué)程Md工扭災(zāi).:減脅災(zāi)防脅汀_亙mJ6個(gè)掘凝土彈簧H.柱截面的彈簧分布Fg,lsprjgdj8tributjonorco,u'prnnsecci.n其中警黧的地震加速度時(shí)程;鬻箬在印墻M

6、和柱如的擬一=礁圖第2期陳健云等:基于MS模型的剪力墻一核心筒結(jié)構(gòu)的高層建筑三維非線性動(dòng)力破壞分析149從彈性到破壞的動(dòng)力全過(guò)程.試驗(yàn)中分別在模型臺(tái)面,第8,17,26,35,44層和頂層布置了7個(gè)水平加速度計(jì),在臺(tái)面,第17,26,35,44層和頂層布置了6個(gè)豎向加速度計(jì),以了解模型和加速度放大倍數(shù)以及結(jié)構(gòu)的位移和變形等情況,考慮到簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和對(duì)稱情況,應(yīng)變片布置在臺(tái)面,6,17,27,37層,每層18個(gè),以了解結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)狀況,剪力滯后現(xiàn)象以及核心筒與外框之間的協(xié)同工作情況.圖4原型立面示意圖及振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4Sketchmapofprototypebuildingand

7、testmodel試驗(yàn)說(shuō)明,隨著地震波強(qiáng)度的逐步增加,模型第29和3O層附近出現(xiàn)裂縫;繼續(xù)加載,在模型中部大目,t/s(a)0.13g概3o層附近略微出現(xiàn)彎曲,隨后,模型整體向上拉伸;隨著彎曲和拉伸的增大,在3o層附近的墻柱首先破裂.振動(dòng)過(guò)程中3O層附近的外框墻柱壓碎,同時(shí)擠出大量的外框墻肢.根據(jù)3個(gè)水準(zhǔn)要求,利用式(1)討論結(jié)構(gòu)在逐級(jí)加大的地震強(qiáng)度下,由彈性階段進(jìn)入彈塑性階段直至最終完全失效破壞的全過(guò)程.其中,采用如圖5所示Elcentro地震波,采用3向地震動(dòng)輸入.0.13g,0.28g,0+42g及0.63g4級(jí)加載.200甚0o鵲0晨一100200JIIIIlIIIvIIy"

8、1015時(shí)間/0圖5輸入的地震波圖(Elcentro1940)Fig.5SeismichistoryofElcentro1940結(jié)構(gòu)在彈性變形范圍內(nèi)(約0.13g地震作用),開(kāi)始發(fā)生局部彈塑性變形(約0.28g地震作用),接近彈塑性極限變形(約0.42g地震作用)以及最終完全破壞(約0.63g地震作用)4種情況時(shí)的頂層位移時(shí)程反響見(jiàn)圖6所示,樓層層間位移包絡(luò)圖如圖7所示.從圖6中可以看出,0.13g作用下結(jié)構(gòu)頂層位移始終在平衡位置附近,而0.28g時(shí),經(jīng)過(guò)10S的0.240.16目0.08,0.00驁_0_08一0.160.24241680816t/s(b)O.28g圖6頂層位移時(shí)程響應(yīng)圖Fi

9、g.6Displacementhistoryoftopt/s(d)0.63g15O防災(zāi)減災(zāi)工程第26卷隧鄔,.1./:/'/層間位移/(%)(a)O.13g(彈性階段)噬鄭1|/.1,.1.t|/./605O40咄3O鄭2O1OO層間位移/(%)層間位移/(%)Co)0.28g(彈塑性階段)(c)0.42g(接近彈塑性極限階段)./.L>l/I0510l52025層間位移/(%)(d)0.63g(完全破壞階段)圖7結(jié)構(gòu)在不同地震下的層問(wèn)位移包絡(luò)圖Fig.7Relativefloordisplacementsunderdifferentlevelofearthquake峰值

10、加速度后,結(jié)構(gòu)開(kāi)始發(fā)生彈塑性變形,頂層位移開(kāi)始略微偏離平衡位置,但頻譜沒(méi)有發(fā)生變化,說(shuō)明非線性程度還比擬小.說(shuō)明地震作用從0.13g增加到0.28g時(shí),結(jié)構(gòu)從彈性變形階段過(guò)渡到彈塑性變形階段;到了0.42g時(shí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全進(jìn)入了彈塑性階段,并且快要到達(dá)彈塑性變形極限,表現(xiàn)在不僅偏離平衡位置,而且由于剛度的降低,結(jié)構(gòu)頻率明顯降低(圖7(c);0.63g的時(shí)候結(jié)構(gòu)就已經(jīng)進(jìn)入到破壞階段.從圖7中看出,結(jié)構(gòu)在到達(dá)彈塑性變形極限之前,第29層的層間位移一直最大;隨著變形的不斷增大,上部樓層的層問(wèn)位移增加速度較下部樓層快;最終結(jié)構(gòu)完全破壞時(shí),第36層(2/3樓層處)的層間變形突變?yōu)樽畲?結(jié)構(gòu)1/22/3層高

11、處不僅層間變形大,而且承受的拉應(yīng)力也大,屬于結(jié)構(gòu)的最不利部位,破壞會(huì)首先在這里發(fā)生.結(jié)構(gòu)在地震初期未到達(dá)彈塑性極限破壞時(shí),其層間位移是連續(xù)漸變的.隨著地震波的繼續(xù)作用,結(jié)構(gòu)的塑性變形不斷積累,當(dāng)結(jié)構(gòu)完全破壞時(shí),層間位移發(fā)生突變,層間位移的方向也不再保持一致.計(jì)算分析顯示,在接近8度的地震荷載作用下局部構(gòu)件產(chǎn)生塑性鉸,說(shuō)明結(jié)構(gòu)進(jìn)入了彈塑性階段,損傷已經(jīng)發(fā)生.但塑性鉸的位置根本都首先發(fā)生在梁或者連梁上,連梁由于受力較大,更容易首先進(jìn)入屈服.此類塑性鉸的產(chǎn)生改變了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和結(jié)構(gòu)周期,能夠吸收局部地震能量,防止結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步破壞.由于樓層的剪力墻并沒(méi)有發(fā)生破壞,因此結(jié)構(gòu)的位移也比擬小,離倒塌尚遠(yuǎn).

12、繼續(xù)增大地震動(dòng)強(qiáng)度,剪力墻開(kāi)始發(fā)生破壞,破壞順序特點(diǎn)與試驗(yàn)根本相同.首先是外框墻中的小肢墻屈服,且越短的墻肢屈服越早;隨后由于外墻的屈服,與已屈服的外剪力墻同軸線的核心筒墻元承受的水平力加大,也先后到達(dá)屈服.一共有2O個(gè)墻元發(fā)生破壞,其中7個(gè)發(fā)生在內(nèi)筒墻,13個(gè)發(fā)生在外框墻元.一方面是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)外框剛度弱,內(nèi)筒剛度強(qiáng)的特點(diǎn),另一方面是由于超高層剪力墻一核心筒結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為懸臂粱彎曲形式,所以外墻的動(dòng)應(yīng)力值會(huì)比內(nèi)筒墻的動(dòng)應(yīng)力值要大.這跟模型試驗(yàn)中的現(xiàn)象和結(jié)果完全吻合.破壞的墻元大多發(fā)生在結(jié)構(gòu)的中部樓層附近,也有個(gè)別構(gòu)件破壞發(fā)生在底層.上述破壞的初始過(guò)程(底層破壞前)與EI本阪神地震和臺(tái)灣集集地震中一些

13、高層結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象比較一致,可以解釋為結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷地震作用的過(guò)程中,較高階的自振特性:不可忽略.同時(shí),豎向地震作用力對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞起著重要作用.3擬靜力彈塑性PushOver分析本文同時(shí)采用PushOver方法對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,以取得在不同計(jì)算方法中的結(jié)構(gòu)反響.PushOver方法從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一種靜力分析方法,即對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力單調(diào)加載下的彈塑性分析.在結(jié)構(gòu)分析模型上施加按某種方式模擬地震水平慣性力的側(cè)向力,并逐級(jí)單調(diào)加大,構(gòu)件如有開(kāi)裂或屈服,修改其剛度,直到結(jié)構(gòu)到達(dá)預(yù)定的狀態(tài).圖8列出施加同樣大小的地震力后,時(shí)程分析法和Pushover方法得出的結(jié)構(gòu)層問(wèn)位移包絡(luò)圖.第2期陳健云等;基于MS模型的

14、剪力墻一核心筒結(jié)構(gòu)的高層建筑三維非線性動(dòng)力破壞分析151采用的加載方式為倒三角分布的荷載.由圖中可以看出,2種方法計(jì)算的層間位移包絡(luò)圖形狀和最大位移發(fā)生的位置根本相同,但是Pushover所得出的位移值要偏大一些.其計(jì)算的結(jié)果與時(shí)程分析的結(jié)果相比要偏于保守一些.根據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果,針對(duì)原結(jié)構(gòu)尺寸作了幾種方案調(diào)整,經(jīng)比擬,單獨(dú)減小外墻或內(nèi)墻尺寸,均比原設(shè)計(jì)更不利,而適當(dāng)增加外墻尺寸,同時(shí)減小內(nèi)墻尺寸,可以充分利用材料,提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能.效果如圖9所示.時(shí)Fm舫h-ov法erTJ-竭1.f.礦-'層間位移/(%)(a)0.13g:時(shí)Pu程ah方-ov法er.h",+鶴lf,-

15、0.000.150.300.450.60(1)該高層筒體結(jié)構(gòu)在大震破壞時(shí)的最不利高度在1/2到2/3位置處.結(jié)構(gòu)在到達(dá)彈塑性變形極限之前,第29層的層間位移一直最大,隨著變形的不斷增大,上部樓層的層間位移增加速度較下部樓層快,最終結(jié)構(gòu)完全破壞時(shí),大約在2/3樓層處發(fā)生變形集中突變.(2)該高層筒體結(jié)構(gòu)內(nèi)筒剪力墻布置集中,緊湊,剛度大;外框剪力墻布置得分散,稀少,剛度小,在大震破壞時(shí)外墻比內(nèi)墻其應(yīng)力更大.在強(qiáng)烈的地震波作用下,外框中的小短肢墻比擬弱,很容易首先屈服破壞,因而會(huì)形成一個(gè)受力薄弱區(qū),使得與其同軸線的核心筒墻承受過(guò)大的地震力,也就跟隨著進(jìn)入了破壞.因此如果能夠適當(dāng)?shù)卦龃笸鈮Φ膭偠?延緩

16、外框墻破壞的時(shí)問(wèn),可以到達(dá)提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能的效果.(3)可以看出,在同樣強(qiáng)度的地震作用下,知道內(nèi)墻和外墻的內(nèi)力分布,就可以進(jìn)行選擇合理分配剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì),不僅可以加大整體剛度.又可為節(jié)省材料提供可靠的依據(jù).位引參考文獻(xiàn):cb)0.28g'圖82種方法所得的層間位移包絡(luò)圖Fig.8RelativefloordisplacementsfromtWOmethods層間位移/(%)(a)7度地震0.4層問(wèn)位移/(%)cb)8度地;霞圖9調(diào)整前后2種結(jié)構(gòu)的層間位移比擬Fig.9Relativefloordisplacementsbeforeandafteradjustin

17、g4結(jié)論本文通過(guò)彈塑性分析,得出了以下結(jié)論.1李向真,程國(guó)亮,于德介,等.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析J.世界地震工程,2002,18(1):7376LiXZ,ChengGL,YuDJ,eta1.ElastoplastictimehistorvanalysisofconcretefilledsteeltubularstructureJ.WorldEarthquakeEngineering,2002,18(1):73762汪夢(mèng)甫.鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)非線性地震反響分析口.工程力學(xué),1999,13(3):8-16WangMP.NonlineardynamicseismicresponseofR/C

18、framewallstructureJ.EngineeringMechanics,1999,13(3):8163汪夢(mèng)甫,沈蒲生.鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)非線性地震反響分析現(xiàn)狀J1.世界地震工程,1996,14(2):1-8WangMF,ShenPS.StateofartofnonlinearseismicresponseanalysisforR/CtallbuildingstructuresJ.WorldEarthquakeEngineering,1996,14(2):1-8I-4陳滔,黃宗明.鋼筋混凝土框架非線性地震反響分析模型研究進(jìn)展J.世界地震工程,2002.18(1):9197ChenT.H

19、uangZM.AreviewofinelasticdynamicanalysismodelsofreinforcedconcreteframesunderearthquakegroundmotionsJ.WorldEarthquakeEngineering.2002,18(1):91975王曙光,劉偉慶.楊蕾蕾,等.耗能支撐鋼筋混凝土框架152防災(zāi)減災(zāi)工程第26卷結(jié)構(gòu)抗震性能研究J.地震工程與工程振動(dòng),1998,18(1):3544WangSG,LiuWQ,YangLL,eta1.Aseismiebehaviorofreinforcedconcreteframewithenergy-dissi

20、-pationbracingsJ.EarthquakeEngineeringandEngineeringVibration,1998,18(1):354463呂西林.李學(xué)平.超限高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)中的假設(shè)干問(wèn)題J.建筑結(jié)構(gòu),2002,23(2):1318LnXL.LiXP.SomeproblemsonseismicdesignofoutofcodeshighrisebuildingsJ.JournalofBuildingStructures,2002,23(2):l3一l8783LiKN.OtaniS.Multispringmodelfor3-DimensionalanalysisofRCm

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22、nearEarthquakeDestroyofHighriseRCFrameCoreTubeBuildingBasedonMSElementModelCHENJianyun,LIJing.,FANGMingji.(1.StateKeyLab.ofCoastalandOffshoreEngng.DalianUniversityofTechnology,Dalianl16024,China;2.TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:ThenonlinearseismicanalysisofalloutofcodehighrisingRCframecoretubebuilding,whichisthehig