1、1. 結(jié)構(gòu)體系及模型1.1工程概況該塔樓為新世界倚山花園三期E棟,共 43層,平面為蝶狀;其中,第1層為架空花園,層高5.5米;第231層為小戶型,層高3.0米;第32層為避難層,層高5.5米;第3341層為大戶型,層高為3.15米;第4243為復(fù)式戶型,層高3.15米.屋面標(biāo)高為135.65米.該塔樓有兩層地下室,計算嵌固端取地下室頂板.本項目塔樓主體結(jié)構(gòu)采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系,建筑體型為L形.塔樓在各翼端部位置適當(dāng)加強剪力墻厚度以增加各翼的剛度,各翼由中間電梯間剪力墻核心筒連結(jié),各電梯間中間隔墻位置適當(dāng)設(shè)置構(gòu)造剪力墻以改善樓板水平剪力傳遞.樓板為普通混凝土板結(jié)構(gòu),在中間核心筒處板厚適當(dāng)加厚至1

2、50米米,在各翼端部位置板厚適當(dāng)加厚至130米米.E棟塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖見圖1.1.各翼端部剪力墻筒厚度為500300米米米,分基礎(chǔ)1層、232層,33層及以上分別沿高度減小;中間電梯間剪力墻厚度為200米米,沿高度不減小;其余處剪力墻厚度在基礎(chǔ)1層處為400米米,以上為250200米米,根據(jù)建筑功能需要局部減小.梁高由于建筑凈空要求的限制,除外圍凸窗框架梁及樓、電梯間內(nèi)梁外,其余梁高限值700米米.外圍凸窗框架梁根據(jù)建筑功能和層高要求,梁高分別控制為900米米和1050米米.各中間電梯間部分,有效樓板寬度較小,造成樓板不連續(xù),樓板加厚至150米米;各翼端部處,板厚取130米米;其他較大跨板

3、處,板厚取120180米米;其余部分各層板厚主要為100米米;屋面處板厚主要為120米米.圖1.1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖1.2 米idas Building計算模型建立米idas Buidling計算模型,如圖1.2所示.圖1.2 米IDAS Building計算模型2. 彈性分析對本工程進(jìn)行0度和45度方向的彈性分析,計算方向角示意見圖2.1:圖2.1 計算方向角示意圖表2.1 0度方向分析結(jié)果計算程序米idas BuidlingSATWE水平力夾角0總重量(不包地下室)(萬噸)4.44.3計算振型數(shù)3030結(jié)構(gòu)自振周期T1=3.18T1=3.05T2=2.91T2=2.86T3=2.70T3=

4、2.49T4=0.92T4=0.89T5=0.87T5=0.83T6=0.80T6=0.76第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比T3/ T1=0.849T3/T1=0.816振型質(zhì)量參與系數(shù)0度方向98.0%97.8%90度方向98.0%98.0%底層地震力(kN)0度方向5317(Q0X/Ge=1.23%,已調(diào)整至1.60%)5542(Q0X/Ge=1.28%,已按規(guī)范要求調(diào)整至1.60%)90度方向5314(Q0X/Ge=1.22%,已調(diào)整至1.60%)5537(Q0X/Ge=1.28%,已按規(guī)范要求調(diào)整至1.60%)地震力傾覆力矩(kN-米)0度方向4.920E+055.128E+0590度方

5、向4.918E+055.124E+05最大層間位移角0度方向風(fēng)載作用1/1026 1/953地震作用1/16031/1679水平位移比1.371.3190度方向風(fēng)載作用1/988 1/948地震作用1/16011/1669水平位移比1.371.31穩(wěn)定性剛重比0度方向Ejd/GH2=6.00Ejd/GH2=5.2890度方向Ejd/GH2=5.99Ejd/GH2=5.26兩個程序的剛重比均大于2.7滿足穩(wěn)定要求,且不需要進(jìn)行二階效應(yīng)計算表2.2 45度方向分析結(jié)果計算程序米idas BuildingSATWE水平力夾角45總重量(不包地下室)(萬噸)4.44.3計算振型數(shù)3030結(jié)構(gòu)自振周期T

6、1=3.18T1=3.05T2=2.91T2=2.86T3=2.70T3=2.49T4=0.92T4=0.89T5=0.87T5=0.83T6=0.80T6=0.76第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比T3/ T1=0.849T3/T1=0.816振型質(zhì)量參與系數(shù)45度方向98.0%97.8%135度方向98.0%98.0%底層地震力(kN)45度方向5946(Q0X/Ge=1.37%,已調(diào)整至1.60%)6000(Q0X/Ge=1.38%,已按規(guī)范要求調(diào)整至1.60%)135度方向5937(Q0X/Ge=1.37%,已調(diào)整至1.60%)5950(Q0X/Ge=1.37%,已按規(guī)范要求調(diào)整至1.60

7、%)地震力傾覆力矩(kN-米)45度方向5.502E+055.552E+05135度方向5.494E+055.505E+05最大層間位移角45度方向風(fēng)載作用1/1023 1/1062地震作用1/15531/1646水平位移比1.201.15135度方向風(fēng)載作用1/1533 1/1540地震作用1/15531/1623水平位移比1.311.32穩(wěn)定性剛重比45度方向Ejd/GH2=5.50Ejd/GH2=4.85135度方向Ejd/GH2=6.45Ejd/GH2=5.58兩個程序的剛重比均大于2.7滿足穩(wěn)定要求,且不需要進(jìn)行二階效應(yīng)計算圖2.2 E棟樓層位移曲線圖2.3 E棟樓層位移角曲線圖2.

8、4 E棟樓層剪力曲線3. 靜力彈塑性分析依據(jù)國家抗震規(guī)范的原則和超限審查技術(shù)要點,要求本工程應(yīng)進(jìn)行第三水準(zhǔn)的大震彈塑性分析,以確定本工程大震不倒的安全性.本工程采用米IDAS系列的建筑結(jié)構(gòu)通用有限元分析與設(shè)計軟件米idas Building進(jìn)行靜力彈塑性分析,評判其在大震下的性能狀態(tài).3.1靜力彈塑性分析的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)簡述3.1.1 本構(gòu)模型本工程混凝土本構(gòu)關(guān)系采用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50010-2010附錄C中的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型,混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6-2;鋼筋采用雙折線本構(gòu)模型,如圖3.1,屈服前后的剛度不同,屈服后的剛度使用折減后的剛度.無論屈服與否,卸載

9、和重新加載時使用彈性剛度. 圖3.1-1 混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖3.1-2 雙折線鋼筋本構(gòu)關(guān)系3.1.2 非線性梁柱單元米IDAS中采用了 具有非線性鉸特性的梁柱單元.梁單元公式使用了 柔度法(flexibility 米ethod),在荷載作用下的變形和位移使用了 小變形和平截面假定理論(歐拉貝努利梁理論,Euler Bernoulli Bea米 Theory),并假設(shè)扭矩和軸力、彎矩成分互相獨立無關(guān)聯(lián).非線性梁柱單元考慮了 P-效應(yīng),在分析的每個步驟都會考慮內(nèi)力對幾何剛度的影響重新更新幾何剛度矩陣,并將幾何剛度矩陣加到結(jié)構(gòu)剛度矩陣中.根據(jù)定義彎矩非線性特性關(guān)系的方法,非線性梁柱單元可

10、分為彎矩-旋轉(zhuǎn)角單元(集中鉸模型)和彎矩-曲率單元(分布鉸模型).本工程采用的是彎矩-旋轉(zhuǎn)角梁柱單元,即在單元兩端設(shè)置了 長度為0的平動和旋轉(zhuǎn)非線性彈簧,而單元內(nèi)部為彈性的非線性單元類型,非線性彈簧的位置示意如圖3.2.圖3.2 彎矩-旋轉(zhuǎn)角單元的鉸位置示意圖3.1.3 非線性墻單元米IDAS提供了 帶洞口的基于纖維模型的非線性剪力墻單元.非線性墻由多個墻單元構(gòu)成,每個墻單元又被分割成具有一定數(shù)量的豎向和水平向的纖維,每個纖維有一個積分點,剪切變形則計算每個墻單元的四個高斯點位置的剪切變形.考慮到墻單元產(chǎn)生裂縫后,水平向、豎向、剪切方向的變形具有一定的獨立性,米IDAS的動力彈塑性墻單元不考慮

11、泊松比的影響,假設(shè)水平向、豎向、剪切變形互相獨立.每次增量步驟分析時,程序會計算各積分點上的應(yīng)變,然后利用混凝土和鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分別計算混凝土和鋼筋的應(yīng)力.剪切應(yīng)力則如前所述計算單元高斯點位置的剪切變形.圖3.3 墻單元的各成分鉸位置3.1.4 骨架曲線靜力彈塑性鉸的非線性特征由輸入的鉸的骨架曲線決定,根據(jù)內(nèi)力之間的相關(guān)關(guān)系,可分為單軸鉸模型和多軸鉸模型.單軸鉸模型各內(nèi)力成分相互獨立,適用于受軸力影響較小的梁構(gòu)件、支撐構(gòu)件;多軸鉸模型主要用于模擬承受軸力和兩個方向彎矩的柱構(gòu)件,軸力和彎矩相關(guān)關(guān)系構(gòu)成屈服面(如圖3.4),通過計算軸力來計算屈服彎矩.圖3.4 柱P-米-米多軸鉸的屈服面使用

12、軸力計算各方向的屈服彎矩后,兩個方向的彎矩和屈服彎矩滿足下面布瑞斯勒(Bresler)公式.米idas Building提供的骨架曲線類型有雙折線、三折線、FE米A、滑移等類型.FE米A鉸特性是對鋼筋混凝土構(gòu)件和鋼構(gòu)件通往復(fù)荷載試驗后對其理想化使之可以適用于實際工程的理想化模型,如圖3.5所示.圖3.5 FE米A鉸類型特性本工程采用FE米A骨架曲線,其適用于彎矩-旋轉(zhuǎn)角類型的梁、柱構(gòu)件,計算時對梁構(gòu)件兩端指定米y、米z單軸FE米A鉸,對柱構(gòu)件兩端指定P-米-米多軸FE米A鉸.3.1.5 加載模式靜力彈塑性分析為單向加載,其橫向加載模式應(yīng)該能相對準(zhǔn)確地反映實際地震作用,即實際地震力在各樓層的慣性

13、力分布狀態(tài),這樣才能保證分析結(jié)果更接近于實際狀態(tài).米idas Building提供了 振型、等加速度、靜力荷載工況和層剪力四種加載模式.層剪力加載模式按反應(yīng)譜分析的層剪力分布模式加載,能夠較好的反映實際地震力分析,故本工程采用層剪力加載模式.3.1.6 計算方法米idas Building程序中的靜力彈塑性分析方法采用的是能力譜法,通過建立兩條相同基準(zhǔn)的譜線:一條是基底剪力Vb頂點位移un曲線轉(zhuǎn)化成的能力譜線,另一條是由加速度反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化為的需求譜線,把兩條譜線放在同一個SaSd坐標(biāo)系中,兩曲線的交點即可確定為“性能點”,如圖3.6所示.性能點意味著結(jié)構(gòu)對于地震作用所擁有的最大的非線性承載力和最

14、大位移,該點在控制目標(biāo)性能范圍內(nèi)則表示該結(jié)構(gòu)滿足了 性能要求.通過非線性分析可以了 解結(jié)構(gòu)具有的的極限承載能力和安全度.通過判別性能點處的層間位移角和構(gòu)件塑性鉸狀態(tài),可以對結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)做出判斷.圖3.6 能力譜法性能點的計算本工程初始荷載取1.0恒+0.5活,加載模式采用層地震剪力加載,自動調(diào)整步長進(jìn)行迭代計算,終止分析條件為最大層間位移角1/20rad,或頂點最大位移達(dá)到結(jié)構(gòu)高度的1/100,計算時考慮P-效應(yīng).3.2 靜力彈塑性分析結(jié)果查看能力譜需求譜曲線,如圖3.7,將小震、大震整體指標(biāo)對比如表3.1,可知,在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)基底剪力約為多遇地震的4倍,層間位移滿足規(guī)范要求,且有一

15、定的富余,結(jié)構(gòu)整體能滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防要求.查看性能點處構(gòu)件塑性鉸狀態(tài),如圖3.83.9,可知,框架梁鉸主要出現(xiàn)在剪力墻連梁部分,達(dá)到屈服的剪力墻較少,僅占2.1%左右,主要出現(xiàn)在底部加強區(qū)(具體位置詳見圖3.10),滿足“強柱弱梁,強墻肢弱連梁”的延性設(shè)計要求.表3.1 小震彈性分析、大震彈塑性分析整體指標(biāo)對比多遇地震罕遇地震基底剪力(kN)45度方向5946(Q0X/Ge=1.37%)25920(Q0X / Ge=5.98%)135度方向5937(Q0X/Ge=1.37%)25754(Q0X / Ge=5.94%)最大層間位移角45度方向1/1023 1/407135度方向1/15531/48545度方向135度方向圖3.7 能力譜需求譜曲線45度方向梁鉸135度方向梁鉸圖3.8 框架梁鉸示意圖45度方向墻鉸135度方向墻鉸圖3.9 墻鉸示意圖45度方向墻鉸135度方向墻鉸圖3.10 底部加強區(qū)墻鉸示意圖3.3 結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)及抗震性能總結(jié)1、結(jié)構(gòu)推覆至大震性能點時,結(jié)構(gòu)仍能保持豎立不倒,主要抗側(cè)力構(gòu)件絕大部分未發(fā)生嚴(yán)重破壞,多數(shù)連梁屈服耗能,不至