特大地震作用下超限高層結(jié)構(gòu)破壞特點分析（PPT42頁）

1、特大地震下超限高層結(jié)構(gòu)破壞特點分析/報告人：焦 柯2014.11.22Content1、特大地震下框筒結(jié)構(gòu)破壞特點分析2、受拉剪力墻抗震性能分析3、高層結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計軟件GSOPT應(yīng)用1、特大地震下框筒結(jié)構(gòu)破壞特點分析3007地塊框架核心筒172.0m005地塊框架核心筒174.6m港航中心框架核心筒248.5m綠地中心框架核心筒175.2m實際發(fā)生的幾次大地震遠大于建筑物設(shè)防要求。針對7度區(qū)7棟按中國規(guī)范性能C設(shè)計的超高層框筒結(jié)構(gòu)，通過加載特大地震（400cm/s2），分析這7棟超高層結(jié)構(gòu)的破壞特點。1、特大地震下框筒結(jié)構(gòu)破壞特點分析7棟超高層結(jié)構(gòu)模型4城際中心框架核心筒172.4m華強1

2、棟鋼框架核心筒299.7m華強3棟框架雙核心筒183.3m1、特大地震下框筒結(jié)構(gòu)破壞特點分析構(gòu)件類型大震（所占組百分比）特大地震（所占組百分比）連梁B至IO： 占45%IO至LS：占25%LS至CP：占10%B至IO： 占15%IO至LS：占35%LS至CP：占50%框架梁B至IO： 占40%IO至LS：占20%LS至CP：占2%B至IO： 占35%IO至LS：占30%LS至CP：占15%007地塊-梁破壞大震特大地震特大地震計算發(fā)現(xiàn)破壞特點：（1）梁損壞嚴(yán)重，框架柱損壞較輕；（2）部分剪力墻損壞嚴(yán)重；（3）剪切破壞是結(jié)構(gòu)整體失效的主因；1、特大地震下框筒結(jié)構(gòu)破壞特點分析大震特大地震007地塊

3、-柱破壞構(gòu)件類型大震特大地震框架柱塔樓頂、裙房頂、加強層上下層拉彎破壞破壞范圍和程度加大剪力墻個別墻剪切破壞部分墻剪切破壞：核心筒剛度突變處、加強層及結(jié)構(gòu)底部構(gòu)件類型大震（所占組百分比）特大地震（所占組百分比%）框架柱B至IO： 占2%IO至LS：占1%LS至CP：占0%B至IO： 占5%IO至LS：占2%LS至CP：占1%剪力墻B至IO： 占30%IO至LS：占2%LS至CP：占1%B至IO： 占40%IO至LS：占5%LS至CP：占10%23層以上部分剪力墻取消位置的剪力墻剪切破壞1、特大地震下框筒結(jié)構(gòu)破壞特點分析特大地震：剪切破壞主要出現(xiàn)在核心筒剛度突變處、加強層、底部剪力墻。綠地中心2

4、1層以上剪力墻取消底層剪力墻破壞首層外圍剪力墻出現(xiàn)拉彎屈服華強1棟加強層剪力墻剪切破壞剪力墻拉彎屈服1、特大地震下框筒結(jié)構(gòu)破壞特點分析特大地震：結(jié)構(gòu)豎向無明顯剛度突變，只有個別墻肢剪切破壞！城際中心剪力墻剪切破壞范圍較小少量剪力墻拉彎屈服部分墻肢輕度損傷，未發(fā)生嚴(yán)重受壓損傷華強3棟1.1 特大地震下結(jié)構(gòu)整體破壞時若干指標(biāo)分析基底剪力和位移角9基底剪力比值位移角比值層間位移角7度/小震8度/小震8度/7度7度/小震8度/小震8度/7度8度007地塊5.917.651.296.438.061.251/116005地塊6.057.551.256.358.081.271/119綠地中心5.427.39

5、1.365.549.111.641/101華強1棟4.154.361.056.476.921.071/104港航中心4.387.171.644.419.052.051/70城際中心4.565.571.225.4811.982.191/84華強3棟3.666.151.688.1212.321.521/66平均值4.886.551.346.119.361.531/901）007地塊、005地塊和綠地中心：取消上部剪力墻豎向剛度突變，層間位移角較小，但出現(xiàn)剪力墻剪切破壞；2）華強1棟：加強層造成剛度突變，層間位移角較小，出現(xiàn)剪力墻剪切破壞。3）港航中心、城際中心和華強3棟：破壞時刻的層間位移角較大，

6、雖然華強3棟存在框支結(jié)構(gòu)，但框支剪力墻為斜墻，避免了剛度突變現(xiàn)象。1.1 特大地震下結(jié)構(gòu)整體破壞時若干指標(biāo)分析位移比10007地塊005地塊綠地中心華強1棟港航中心城際中心華強3棟小震位移比1.211.411.391.011.031.121.23破壞時刻位移比1.331.551.291.001.011.151.60總結(jié)：小震計算位移比較大，則特大震下結(jié)構(gòu)破壞時的位移比也較大；位于外框的剪力墻破壞，對結(jié)構(gòu)的抗扭剛度削弱更大，位移比也更大。007地塊項目左右兩邊柱位移22s時刻由于結(jié)構(gòu)破壞比較嚴(yán)重，樓層位移比增大。構(gòu)件破壞比較嚴(yán)重1.1 特大地震下結(jié)構(gòu)整體破壞時若干指標(biāo)分析框架柱分配剪力11總結(jié)：

7、特大地震下框架柱二道防線起一定的作用，由于框架梁過早屈服出鉸，框架柱作用有限；即使框架柱分配剪力較大，框架柱最大剪壓比沒有超過0.15。最大值0.0981.1 特大地震下結(jié)構(gòu)整體破壞時若干指標(biāo)分析結(jié)構(gòu)耗能分析007地塊構(gòu)件塑性耗能城際中心構(gòu)件塑性耗能剪力墻耗能明顯增大總結(jié)：應(yīng)避免剪力墻塑性耗能突然增加，提高墻肢延性。25s右側(cè)墻剪切破壞21s左側(cè)墻剪切破壞剪力墻耗能平緩增加1.2 剪壓比控制問題剪力墻抗剪承載力分析厚度700mm，長度7150mm，混凝土等級為C60，抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值38.5 N/mm2，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.85 N/mm2，水平和豎向分布鋼筋配筋率0.6%，暗柱配筋為400*10

8、mm方鋼管；混凝土模型 型鋼模型 鋼筋模型總結(jié)：在無軸向力或在軸心受拉作用下，剪力墻抗剪承載力顯著下降！初始荷載剪力墻破壞時加載剪力值剪壓比破壞形式0.2fc*A軸壓力作用20250kN0.116剪切破壞無軸力9200kN0.053剪切破壞ft*A軸拉力作用2200kN0.012剪切破壞1.2 剪壓比控制問題剪力墻抗剪承載力分析0.2fcA軸壓力下剪力墻受拉損傷剪力墻鋼筋應(yīng)力在無軸力作用下剪力墻受拉損傷剪力墻鋼筋應(yīng)力加載到9200kN剪力墻出現(xiàn)明顯斜裂縫。分布鋼筋及端部邊緣構(gòu)件的鋼筋均屈服。加載到20250kN剪力墻突然發(fā)生剪切破壞，分布鋼筋及端部邊緣構(gòu)件的鋼筋均屈服剪力墻鋼筋應(yīng)力在ft*A軸

9、拉力作用下剪力墻受拉損傷加載到2200kN剪力墻出現(xiàn)剪切破壞。分布鋼筋屈服，端部邊緣構(gòu)件的鋼筋未屈服。1.2 剪壓比控制問題剪力墻抗剪承載力分析取整體模型剪力墻的最不利軸力彎矩組合進行正截面承載力驗算，都滿足要求；墻在最小軸壓力554kN時，彎矩值1534kN.m，剪力9865kN（剪壓比約0.06），接近剪切破壞。墻正截面承載力驗算總結(jié)：鋼筋混凝土墻肢的軸向壓力較小或處于受拉狀態(tài)時，按規(guī)范性能水準(zhǔn)4的剪壓比限值0.15控制受剪是不夠的。結(jié)構(gòu)體系高度(m)層數(shù)高寬比核心筒尺寸筒高寬比最大拉應(yīng)力/ftk沈陽華強1棟鋼框架-核心筒299.7708.424.5*24.512.22.5珠江新城F2-4

10、地塊框架-核心筒280.0556.119.2*21.214.51.5廣州華南國際港航中心框架-核心筒248.5525.921.6*21.611.51.0德國中心框架-核心筒239.4586.020.6*23.011.61.1沈陽華強3棟框架-雙核心筒183.3536.98.9*17.720.61.4廣州金融城綠地中心框架-核心筒175.2404.812.3*38.114.22.2廣州金融城005地塊框架-核心筒174.6435.210.5*42.016.61.9廣州城際中心框架-核心筒172.4395.013.9*30.712.41.7廣州金融城007地塊框架-核心筒172.0405.012.

11、1*37.514.22.2琶洲AH041006地塊框架-核心筒160.0377.111.0*24.014.53.9珠江新城D3-2地塊框架-剪力墻157.0364.412.8*18.012.31.5粵電中心框支-剪力墻154.0335.011.4*22.613.51.42、受拉剪力墻抗震性能分析 根據(jù)7度區(qū)12棟超高層結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計，在雙向中震作用下底部剪力墻拉應(yīng)力一般在1.02.5ftk之間，當(dāng)核心筒偏置時，會出現(xiàn)更大拉應(yīng)力比。2、受拉剪力墻抗震性能分析在中震作用下底部剪力墻拉應(yīng)力不大于2*ftk時，目前常規(guī)的處理辦法是在剪力墻內(nèi)埋置型鋼或鋼板來承受中震產(chǎn)生的拉力。當(dāng)?shù)撞考袅瓚?yīng)力大于2*ft

12、k時，加型鋼能否滿足結(jié)構(gòu)抗震性能要求？2、受拉剪力墻抗震性能分析1.0恒+0.5活地震力組合拉力放大后的地震力放大后組合拉力拉應(yīng)力比放大系數(shù)軸力（kN）-94012021210811228391337724%W1剪力墻拉力（正值為拉，負為壓）中震不屈服計算的拉力放大軟件計算的中震不屈服設(shè)計最大拉力，包括了因為結(jié)構(gòu)不滿足規(guī)范對剪重比、剛度比、承載力比等的要求所進行的樓層地震力放大，譬如琶洲項目W1墻肢不滿足剪重比要求，放大1.127，按放大后的組合內(nèi)力計算墻肢拉應(yīng)力比3.94，若按不放大地震力計算拉應(yīng)力比3.19，放大了24%?？偨Y(jié)：根據(jù)中震計算判斷受拉剪力墻時，不宜調(diào)整樓層地震力，否則偏心受壓

13、墻可能判斷為偏心受拉墻，或增大拉應(yīng)力比。2、受拉剪力墻抗震性能分析琶洲AH041006地塊采用框架-核心筒體系，高160m，1-4層型鋼混凝土柱，5層及以上鋼筋混凝土柱，剪力墻厚度底部800mm收至頂部500mm，剪力墻和柱混凝土強度C60，型鋼強度Q345，標(biāo)準(zhǔn)層平面核心筒偏置。大震采用PERFORM-3D軟件計算。三維計算模型首層平面示意圖中震計算墻肢拉應(yīng)力比超過3.0，分析墻內(nèi)加型鋼對抗拉性能影響。2、受拉剪力墻抗震性能分析構(gòu)件中震性能要求（性能C）中震計算結(jié)果大震性能要求（性能C）大震計算結(jié)果驗算情況底部加強區(qū)剪力墻抗彎不屈服，抗剪彈性未出現(xiàn)超筋抗彎、抗剪不屈服底部部分剪力墻拉彎屈服；

14、個別剪力墻剪切破壞中震滿足，大震不滿足主要Y向的轉(zhuǎn)角剪力墻出現(xiàn)剪切破壞底層剪力墻發(fā)生屈服底部樓層剪力墻混凝土發(fā)生輕微受壓損傷本工程性能目標(biāo)定為C，由于在大震作用下底部加強區(qū)剪力墻出現(xiàn)拉彎屈服和剪切破壞，結(jié)構(gòu)不能滿足性能C抗震性能要求。2、受拉剪力墻抗震性能分析中震16871kN大震12600中震3045kN中震8228kN.m大震1177大震-1350墻W4中震與大震下拉力最大時刻內(nèi)力比較：（1）大震下剪力墻最大拉力小于中震反應(yīng)譜法計算拉力；（2）底部軸拉力最大時刻，彎矩較小，剪力并不小?？偨Y(jié)：偏心受拉剪力墻抗彎、抗剪能力大大削弱，加型鋼不單解決抗拉，還要解決抗剪問題。軸力剪力彎矩2、受拉剪力

15、墻抗震性能分析基底剪力(kN)層間位移角模型1（無型鋼）553621/109模型2（1倍型鋼）571101/108模型3（2倍型鋼）598551/108最大基底剪力和層間位移角3133778291609524451模型1模型2模型362674156583219048902三種計算模型比較：13層加型鋼1倍型鋼：按照中震墻肢軸拉力計算的型鋼面積。2、受拉剪力墻抗震性能分析AZ1暗柱鋼筋應(yīng)變時程曲線無型鋼最大拉應(yīng)變0.00351倍型鋼最大拉應(yīng)變0.00252倍型鋼最大拉應(yīng)變0.0015最大壓應(yīng)變變化不大三種計算模型比較：無 型 鋼：暗柱區(qū)鋼筋的拉應(yīng)變超過屈服應(yīng)變，受拉屈服；1倍型鋼：暗柱區(qū)鋼筋屈服

16、但仍處于IO狀態(tài)，拉應(yīng)變減小30% ；2倍型鋼：暗柱區(qū)鋼筋處于彈性狀態(tài)，沒有出現(xiàn)屈服，拉應(yīng)變 減小50% 。2、受拉剪力墻抗震性能分析1倍型鋼剪力墻未出現(xiàn)屈服1倍型鋼個別暗柱出現(xiàn)屈服三種計算模型比較：1倍型鋼：結(jié)構(gòu)底部剪力墻未出現(xiàn)剪切破壞，也未出現(xiàn)拉彎屈服，個別暗 柱鋼筋受拉屈服，處于IO狀態(tài)，仍不滿足性能C要求。2倍型鋼：結(jié)構(gòu)底部剪力墻未出現(xiàn)剪切破壞，也未出現(xiàn)拉彎屈服，暗柱鋼 筋未出現(xiàn)屈服，滿足性能C要求。2倍型鋼剪力墻未出現(xiàn)屈服2倍型鋼暗柱沒有出現(xiàn)屈服2、受拉剪力墻抗震性能分析混凝土模型 型鋼模型 鋼筋整體模型最大軸拉力（kN）剪力（kN）彎矩（kN*m）無型鋼12600117713501

17、倍型鋼22640165044962倍型鋼3141718998447總結(jié)：配置型鋼越多，大震下剪力墻最大拉力越大。首層W4墻肢采用ABAQUS精細有限元計算。首層層高6m，剪力墻厚700mm，長3000mm，水平和豎向分布鋼筋配筋率0.6%，暗柱鋼筋面積7056 mm2，單根型鋼面積24451mm2。2、受拉剪力墻抗震性能分析模型1鋼筋Mises應(yīng)力模型2鋼筋和型鋼Mises應(yīng)力模型3鋼筋和型鋼Mises應(yīng)力無 型 鋼：加載后，縱向受拉鋼筋屈服并進入強化階段，墻體受拉破壞。1倍型鋼：加載后，暗柱區(qū)鋼筋受拉屈服，但仍繼續(xù)承受剪力和彎矩。2倍型鋼：加載后，除加載區(qū)域附近外，鋼筋和型鋼未出現(xiàn)屈服。總結(jié)

18、：當(dāng)中震拉應(yīng)力比超過2時，應(yīng)適當(dāng)增加型鋼用量。當(dāng)拉應(yīng)力比接近3時，型鋼用量加倍可滿足抗震性能要求。高層混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算難點：計算規(guī)模大，結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜；約束條件多，滿足規(guī)范的控制條件；不是單純數(shù)學(xué)問題，涉及抗震設(shè)計概念、構(gòu)造要求；變量不連續(xù)，按模數(shù)變化；開發(fā)GSOPT軟件 基于優(yōu)化理論和結(jié)構(gòu)設(shè)計概念，通過優(yōu)化設(shè)計軟件實現(xiàn)自動進行結(jié)構(gòu)調(diào)整，代替經(jīng)驗性的人工調(diào)整、驗證性設(shè)計。 相比國外通用優(yōu)化軟件如HyperStudy，針對性強，效率更高，適合結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)應(yīng)用。適用各類優(yōu)化目標(biāo) 結(jié)構(gòu)造價、用鋼量、剛度、位移角、剪重比等；3、高層結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計軟件GSOPT應(yīng)用27 響應(yīng)面算法基本原理數(shù)據(jù)實驗中心

19、復(fù)合實驗全因子實驗數(shù)據(jù)擬合選用一次或二次擬合；高階響應(yīng)面擬合：抽樣數(shù)量將顯著增加，容易產(chǎn)生震蕩。二次規(guī)劃通過迭代計算得到目標(biāo)值最?。ù螅┲迭c；內(nèi)點法在可行域邊界上設(shè)置一道屏障，當(dāng)?shù)^程靠近可行域的邊界時，目標(biāo)函數(shù)數(shù)值迅速增大；混合法在非可行域人工制造梯度，解決初始點在可行域外的問題。3.1 響應(yīng)面算法283、高層結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計軟件GSOPT應(yīng)用 約束壁壘厚度問題內(nèi)點法制造約束壁壘；若迭代步長過大，可能會跨過約束，造成無法收斂或在不可行域內(nèi)迭代等問題；運用階級函數(shù)，若迭代越出邊界，函數(shù)值自動取一大值形成壁壘；原響應(yīng)面29含約束響應(yīng)面邊界壁壘修改約束邊界響應(yīng)面修改邊界壁壘3.1 響應(yīng)面算法3、

20、高層結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計軟件GSOPT應(yīng)用 多峰值問題多峰值曲面，由于局部極值點不一定是全局最優(yōu)點，存在不同起始點收斂到不同點的問題；每次求得局部最優(yōu)點的時候，以該值為一個閥值，對響應(yīng)面進行修剪，建立新的約束條件，然后再重新找起始點進行運算；30二次響應(yīng)面：整理可得簡化abc求解3.1 響應(yīng)面算法3、高層結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計軟件GSOPT應(yīng)用 起始點不在可行域問題修改罰函數(shù)，離邊界越遠，罰函數(shù)值越大；既保留了起始點在可行域內(nèi)的運動特征，也能讓起始點落在不可行域時使其滑回到可行域內(nèi)；31以離約束函數(shù)的距離為標(biāo)準(zhǔn)，絕對值越大，說明偏離越大，罰函數(shù)的值就越大，從而人工制造一個負梯度，使迭代點滑回到可行域。3

21、.1 響應(yīng)面算法3、高層結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計軟件GSOPT應(yīng)用優(yōu)化軟件主要模塊建模：結(jié)構(gòu)布置建模、根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)件分組；計算分析和設(shè)計：結(jié)構(gòu)靜力和動力分析、根據(jù)規(guī)范進行構(gòu)件設(shè)計；優(yōu)化計算：構(gòu)件優(yōu)化、變量敏感度分析、結(jié)構(gòu)整體剛度優(yōu)化等。 3.2 GSOPT主要功能32結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件優(yōu)化計算計算分析和設(shè)計建模計算結(jié)果調(diào)用計算優(yōu)化數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)優(yōu)化結(jié)果3、高層結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計軟件GSOPT應(yīng)用建模及分組功能進行結(jié)構(gòu)墻、柱、梁、板布置及調(diào)整。33軟件主界面 3.2 GSOPT主要功能3、高層結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計軟件GSOPT應(yīng)用建模及分組功能關(guān)鍵字和邏輯查詢功能設(shè)置分組；圖形顯示中鼠標(biāo)點選和框選設(shè)置分組。34關(guān)鍵

22、字查詢查詢結(jié)果邏輯關(guān)鍵字分組解決三大問題：提高計算效率、符合建筑功能要求、方便土建施工。 3.2 GSOPT主要功能3、高層結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計軟件GSOPT應(yīng)用計算分析和設(shè)計結(jié)構(gòu)計算：整體靜力計算、抗震分析、內(nèi)力放大及調(diào)整等；構(gòu)件設(shè)計：根據(jù)規(guī)范要求混凝土構(gòu)件截面驗算、配筋等。35 3.2 GSOPT主要功能3、高層結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計軟件GSOPT應(yīng)用構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化目標(biāo)：每組構(gòu)件造價（質(zhì)量）最低；約束條件：規(guī)范構(gòu)件強度、構(gòu)造要求、截面限制范圍等；目標(biāo)構(gòu)件：梁、柱、墻、斜撐等；優(yōu)化方法：多級優(yōu)化、網(wǎng)格搜索法；36 3.2 GSOPT主要功能3、高層結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計軟件GSOPT應(yīng)用結(jié)構(gòu)整體剛度優(yōu)化變量設(shè)置設(shè)置各構(gòu)件截面尺寸的變化范圍及增量大??；優(yōu)化算法響應(yīng)面算法的一次或二次擬合；約束條件位移角、位移比、剛度比、承載力比、周期比、剪重比、框架剪力分配比例等；目標(biāo)函數(shù)位移角、位移比、剛度比、承載力比、周期比、剪重比、框架剪力分配比例、結(jié)構(gòu)重量、用鋼量、造價等；37變量設(shè)置優(yōu)化算法約束條件目標(biāo)函數(shù) 3.2 GSOPT主要功能3、高層結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計軟件GSOPT應(yīng)用總高91.5m，共24層；主要層高5.5m、3.6m；外包