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超高层组合结构抗震性能探究

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《浙江建筑杂志》2014年第八期

1结构体系特性分析

本结构从室外地坪到檐口高度为198m,属于超高层结构,合理选择抗侧力体系才能保证结构在地震下的动力性能。本结构采用钢管混凝土-钢梁-钢支撑的组合结构体系,为增加组合结构空间协同性,在结构20层和22层设一道腰桁架,为降低结构成本,22层以上取消部分支撑。结构体系分解见图4。如此结构布置,地震作用下结构的惯性力可由支撑和钢框架共同承担。对结构进行动力特性分析,取前4阶振型。第一阶振型为X方向(结构平面的长边方向)水平振动,第一周期为4.43s;第二阶振型为Y向水平振动,对应的周期为3.99s;第三阶振型为绕Z轴的扭转振动,对应周期为3.18s;第四阶振型为X向水平振动,对应周期为1.52s。由于第一周期为长边向振动,说明结构沿结构短边方向设置的支撑加大了短边方向抗侧刚度。

2地震作用下结构性能分析

该大厦位于7度区,场地类别为Ⅱ类地区的第一组,结构安全等级为一级。7度小震地震波加速度峰值为35gal,大震地震波加速度峰值为220gal。为研究本结构在地震作用下的动力性能,取ELCentro波。

2.1小震下结构性能分析现在常用的结构性能评价指标包括结构基底剪力、结构底部倾覆力矩、顶层位移、层间位移角等。但是我国抗震规范并没有给出小震下这些性能指标的限值,难以直观地对“小震不坏”的准则进行判断。相关研究表明结构在地震作用下能量反应包括总输入能、动能、阻尼能、弹性变形能和塑性变形能,可采用结构塑性变形判断结构在地震下的性能。判断准则为:塑性变形能为零,则说明结构各构件保持弹性,没有屈服。结构在小震作用下的能量时程见图5a),可以看出塑性变形能始终保持为零,结构在小震下保持弹性,结构设计合理,没有发生破坏。

2.2大震下结构性能分析大震作用下取结构基底剪力、结构底部倾覆力矩、顶层位移、结构能量时程和层间位移角等来衡量,其中结构能量、基底剪力为时程量,层间位移角取包络值,见图5b)~d)。层间位移角既可以判断结构在大震作用下能否满足稳定要求,又可以判断结构是否存在薄弱层,结合我国规范中有结构关于层间位移角的限值,可以判断结构在大震下的性能是否满足要求。通过能量提取及其图谱化,获得结构大震下耗能分布统计,可直观地对结构大震性能、耗能机制等进行分析判断,有助于确立对结构构件乃至结构体系的微观与宏观的作用关系,从而为结构抗震设计提供更为丰富且直观的参考指标,为优化结构提供有力支撑。我国抗震规范还没有关于组合结构的弹塑性层间位移角限值的规定,本文按照对多、高层钢结构的限值取用,限值为1/50[6]。由图5可见,22层以下的层间位移角较小,而22~37层的层间位移角较大,37~40层的层间位移角又变小,这是因为22~37层取消了部分支撑,导致层间刚度较小,但是层间位移角最大为1/174.8,满足规范的要求。钢管混凝土-钢梁-钢支撑结构具有良好的抗侧力性能,在小震下保持弹性,大震作用下层间位移角满足规范要求,是一种良好的抗震结构形式,适用于超高层结构。

3结语

本文利用MSC.MARC建立了某大厦的三维有限元模型,利用ElCentro波对其进行了动力弹塑性时程分析,得到了小震下结构的能量反应和大震下结构各项性能指标,主要得出以下结论:(1)MSC.MARC可以方便地建立复杂结构的精细模型,具有良好的非线性计算能力,是解决复杂结构动力性分析的有力工具。(2)由结构的能量时程反应可知,小震作用下大厦的弹塑性变形能为零,结构保持弹性,没有发生破坏;大震作用下结构进入弹塑性,但主体结构仍然满足大震不倒的要求。(3)22层以上取消了部分支撑,结构的层间刚度变小,层间位移角增大,大震时最大层间位移角发生在28层,层间位移角为1/174.8,满足规范要求,其结构设计合理。(4)钢管混凝土-钢梁-钢支撑结构形式是一种具有良好抗震性能的结构,适用于超高层结构。

作者:吴琳高涛尹璐单位:众安集团有限公司杭州天元建筑设计研究院有限公司华润万家有限公司

浙江建筑杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次