精xx剪力墙筒体结构超高层大厦结构抗震设计研究Word下载.docx
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7度小震、中震、大震和8度大震所对应的地震地面加速度分别为35gal、100gal、220gal、400gal。
XX属于软土地基，场地类别为Ⅳ类，对应的场地特征周期为0.9S。
鉴于该工程的重要性和复杂性，除满足现行设计标准外，特制定其抗震性能水准如下：
（1）7度小震和中震作用下，结构基本处于弹性状态，结构完好无损伤；
（2）7度大震作用下，结构构件允许开裂，但开裂程度控制在可修复的范围内，开裂部位在可控制的范围内，主要抗侧力体系（巨型框架，巨型斜撑）在按标准强度计算时不屈服。
（3）在8度大震作用下，结构可能出现严重的破坏，但不能倒塌。
借助非线性有限元分析软件Perform-3D对建筑的主体结构进行推覆分析、地震作用下的时程分析，从而实现对结构抗震性能的分析。
3．结构性能目标
（1）7度小震和中震下的结构弹性状态
层间位移角不大于1/500，理论分析和模型试验中结构不出现裂缝，钢筋应力不超过屈服强度，混凝土压应力不超过抗压强度的1/3，在地震作用后结构变形基本恢复，节点处在弹性状态，地震作用后的结构动力特性与弹性状态的动力特性基本一致。
（2）7度大震下结构开裂程度和范围的控制
层间弹塑性位移角不大于1/100，巨型框架、斜撑、伸臂等主要抗侧力结构出现轻微损坏和轻微裂缝，局部区域允许构件内钢筋屈服；
R.C.核心筒允许开裂，但开裂处钢筋不屈服，按材料强度标准值计算的R.C.核心筒的受剪承载力大于7度大震的弹性地震剪力；
楼层梁端可以出现塑性铰，拉区钢筋屈服但未进入强化阶段，压区混凝土应变小于极限压应变；
主要抗侧力构件的节点未出现明显开裂且应力未达到屈服状态。
（3）8度大震下结构不发生倒塌
主要抗侧力构件开裂严重，压区和拉区钢筋基本屈服，有一些已进入强化阶段，压区混凝土应变接近其极限压应变；
主要节点进入屈服状态但不脱落。
地震烈度
频遇地震
（小震）
设防烈度地震
（中震）
罕遇地震
（大震）
性能水平定性描述
不损坏
可修复损坏
无倒塌
结构工作特性
弹性
不屈服，允许少数次要或耗能构件屈服
允许进入塑性，控制薄弱层位移
层间位移角限值
h/500
h/200
h/100
构件性能
核心筒墙
按规范要求设计，保持弹性
压弯验算按中震不屈服，剪力验算按中震弹性，整体受剪保持弹性
允许进入塑性，控制塑性变形，底部加强区不进入塑性
巨柱
验算按中震弹性，整体受剪保持弹性
允许进入塑性，严格控制塑性变形
环形桁架
连梁
允许进入塑性即截面弯曲屈服，吸收部分地震能量，但不允许剪切破坏。
（αmax=0.24的地震作用下，连梁不屈服，αmax=0.32的地震作用下，连梁不发生剪切破坏）*
允许进入塑性，控制塑性变形，不得脱落，最大塑性角小于1/50
4．结构模型信息
4.1结构总模型信息
XX中心原有设计为地面以上9个区块，共计126层。
由于结构非线性分析耗费大量的计算机时间。
因此对将对主体结构进行一定的简化，从而完成结构的非线性推覆以及时程分析。
Perform3D模型中简化后保留的楼层如下：
区段楼层
中部楼层
结构加强层MEP
Zone1
2,3,4,5
6,7,8
Zone2
14
20,21,22
Zone3
29
35,36,37
Zone4
44
50,51,52
Zone5
57，62
66,67,68
Zone6
75
82,83,84
Zone7
92
99,100,101
Zone8
109
116,117,118
Zone9
120,123,125b,126
水平面上假定楼板刚度无穷大，并且将荷载全部导算至节点处。
因此建模过程中不考虑楼板以及相应的次梁，仅对主要构件进行建模以及定义。
简化后模型拥有40层，节点4054个，构件种类包括：
非线性条带混凝土梁构件、非线性条带混凝土柱构件、非线性已有截面型钢构件（梁、柱）、非线性自定义截面型钢构件（梁、柱）、非线性条带剪力墙构件等；
材料种类包括：
混凝土（C35,C50,C60,C70,C80），以及钢Q345。
Perform3D模型结构如图1所示：
4.2材料信息
混凝土
根据《混凝土结构设计规范》条文说明-附录C.2所规定的混凝土非线性应力应变关系，如图1所示，其中曲线的参数值，即峰值压应变（εc）、上升段和下降段参数（αa、αd）、下降段应变（εu）等都随混凝土的单轴抗压强度值（f*c、N/mm2）而变化，计算式如下：
，本文中f*c取混凝土抗压强度的标准值。
Perform3D中对混凝土的本构曲线采用如下形式：
取FR/FU=0.4,DR=εu,DL=（1+5%）εc,DX=（1+10%）εu,由式1可得到不同标号混凝土的对应参数：
Ec/Mpa
fcu/Mpa
DL
DR
DX
C35
3.15e4
23.4
0.00160863
0.00408494
0.00449344
C50
3.45e4
32.4
0.00176299
0.00371658
0.00408824
C60
3.6e4
38.5
0.00185559
0.0036276
0.00399036
C70
3.7e4
44.5
0.00193975
0.00358982
0.0039488
C80
3.8e4
50.2
0.00201459
0.00357902
0.00393692
钢
统一采用Q345钢，E=2.1e8kN/m2，fy=7.83kN/m2，w=76.8kN/m3，泊松比=0.3。
4.3截面信息
本文中采用非线性推覆及时程分析软件Perform3D对结构进行非线性分析，结构构件均采用非线性单元：
型钢结构杆件（梁、柱）均采用相同截面的非线性型钢梁、柱单元，材料受力过程中不发生屈曲；
混凝土梁单元（连梁）采用分层纤维条带模型，混凝土超级柱单元则采用等效钢筋位置和面积的纤维模型，混凝土剪力墙采用纤维条带模型。
具体截面信息如下：
钢筋条数
混凝土行
混凝土列
总条带数
配筋率
2
5
1
7
3%
混凝土墙
3
8
1%
超级角柱
16
4
48
4%
超级柱
56
6%，8%
巨型柱的型钢的等效原则遵循：
等效前后钢面积相等，相对于两轴极惯性矩相等。
5．结构非线性有限元推覆分析
本文采用Perform3D三维非线性分析程序对XX中心结构模型进行了三维推覆模拟。
推覆力分布于每一简化后的结构层面，不同层间的推覆力大小比例按照结构自振模态分配，该比例在推覆过程中保持不变。
结构的模态周期如下：
Mode1
Mode2
Mode3
Mode4
Mode5
Mode6
周期/s
8.641
8.351
6.31
3.184
2.975
2.759
推覆取用第一、第二模态作为荷载加载依据，水平推覆荷载将按照模态形状分布。
采取按照模态形状加载的方法可以更加有效地寻找沿结构竖向的薄弱层，使得推覆荷载分布更加合理。
推覆采用50步分布加载，单步相对位移取值为1/50的界限位移，界限位移取为7%，即单步相对位移取为0.14%。
推覆过程中考虑结构的P-Δ效应。
结构的相对位移-底部剪力图如下图所示：
结构在H1方向的推覆达到结构极限状态的过程中表现出较大的刚度和较好的抗震性能，结构的整体的变形稳定而协调。
然而在结构超过其极限状态后，结构变形突然增大，下降段的位移增长剧烈，反映在推覆的时程过程中表现为在有限次荷载增长步内出现巨大的结构变形和位移。
结构在第五区与第六区交界处，第六区内出现较大的层间位移以及层间位移角，结构最终也是在第六区内产生破坏。
在该区域第五区的交界处，结构的刚度突变较为明显。
整体变形出现不协调。
结构在H2方向的推覆表现出相似的结果，变形较大的薄弱层亦出现在第六区，只不过H2方向的推覆较H1方向更为稳定，没有出现时程描述中的突变，极限状态以后变形的增长也比较缓慢平稳。
结构的非线性性能评价：
通过结构的非线性推覆分析，我们可以评定出结构的整体抗震性能，即推测出结构能够承受多剧烈的地震。
根据Perform3D的推覆结果，我们可以通过绘制需求曲线（DemandCurve），通过换算不同推覆荷载步（周期）下的结构基地剪力，以及绘制基于我国规范的影响系数谱，了解结构在抵御不同地震和在作用下的响应情况。
地震响应谱选取的是220gal地震作用下基于FEMA356的地震响应谱，以及我国大震作用下的地震影响系数谱。
沿H1方向的推覆分析结果如下图所示：
基于我国抗震规范规定，可以看出结构H1方向，H2方向的性能曲线与地震影响系数需求曲线相交于12.4s、12.2s左右，说明结构具有在大震作用下抵抗地震的能力。
而基于FEMA356规范的性能反应谱曲线反应出结构能够在11.8s周期内穿越大振作用下的反应谱曲线，能够满足多遇以及罕遇地震下的结构变形要求。
针对结构在推覆和在作用下所显现出来的结构水平向位移的突变，可能原子结构本身沿竖向的刚度的突变。
结构的2类巨型柱SUPERCOLUMN2截止于第五区顶层，自第六区向上巨型柱的数量减少为8根，并且截面面积逐层减小；
核心筒剪力墙的截面厚度也随区域高度的增加逐区减少，使得在第五区与第六区的交界处，结构刚度发生明显变化，有效抗侧力体系急剧减弱。
并最终导致推覆荷载作用下结构在该区域发生破坏。
6．结构非线性有限元时程分析
时程分析所选用的地震波，根据规范关于输入地震波的选用要求
建筑抗震设计规程（DGJ08‐9‐2003），建筑抗震设计规范（GB50011‐2001，2008版）
场地类别要求：
XX地区为IV类场地，设计地震分组为第一组。
数量：
不少于二组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线。
频谱特性：
由设计反应谱曲线表征，根据场地类别和设计地震分组确定。
有效峰值：
多遇地震取为35cm/s2，罕遇地震取为220cm/s2。
持时要求：
结构周期的5~10倍。
统计特性：
每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱计算结果的65%，
多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。
震源机制：
根据XX中心大厦项目工程场地地震安全性报告，XX地区震源机制以走滑型断
层错动方式为主。
所选取的地震波尽量应以走滑型断错为主，数量不足时可以考虑其他震源
机制，但应确保相同的场地类别。
推荐选取地震波为：
编号
地震波
X
Y
场地类别
持时（s）
震源机制
CHY012
CHY012-E
CHY012-N
IV
150
逆断层
CHY016
CHY016-E
CHY016-N
KAU
KAU011-W
KAU011-N
90
--
TCU-56-W-N
TCU-56-W
TCU-56-N
SHW3
40
6
SHW4
7．结果对比
SHW4地震分析结果：
SHW3分析结果：
TCU056_N分析结果：
从以上结构位移包络图可以看出，该结构中部地区存在明显的薄弱楼层。
两个方向结构的层间位移角均有较大的数值。
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