30层带转换层型钢混凝土框架-核心筒结构拟静力试验及抗震设计的几个问题.docxVIP

30层带转换层型钢混凝土框架-核心筒结构拟静力试验及抗震设计的几个问题 结构模型的拟静力试验 高层建筑-钢筋混凝土结构具有良好的经济性，抗风抗雨性能好，在中国的高层建筑中得到了广泛应用。鉴于高层混合结构的迅速发展,人们对这种结构的抗震性能越加关注,不少问题和疑虑需要继续加以研究,包括:结构进入弹塑性直至破坏的各阶段,核心筒及框架所承受内力的调整分配,结构的破坏模式,抗震设计中如何防止核心筒的脆性剪切破坏,如何发挥核心筒和外框架的双重抗震作用等。关于混合结构的研究,以往进行过震害分析及几个结构模型试验,但几个试验中模型竖向配重均未能加足。 为深入研究带转换层型钢混凝土框架—核心筒混合结构的抗震性能及抗震设计中的关键技术问题,进行了一个1∶10的30层结构模型拟静力试验,试验中竖向配重加足,使模型在竖向荷载作用下的应力与实际结构的应力相同。试验的详细情况见参考文献。本文介绍该试验的理论分析结果,并讨论这种结构的破坏模式,结构在弹性、弹塑性直至破坏的各个阶段中核心筒及外框架所承受的内力调整分配情况,抗震能力设计遇到的问题,以及为有效发挥核心筒和框架的双重抗震作用,对高宽比较大的框架—核心筒结构按中震弹性或中震不屈服的性能水准进行抗震设计的优越性。 1 钢梁与混凝土筒体布置 模型模拟的实际结构为带转换层的30层型钢混凝土框架—核心筒结构,双轴对称,模型比例为1∶10,平面尺寸24m×24m,平面见图1。结构总高109m,层高分别为:一层4.5m、二层6.5m、三至三十层为3.5m。一、二层的框架柱间距为12m,二层为转换层,三层及以上各层的柱距为7.5m和9m。筒体平面尺寸9m×9m,占总面积的13%。框架柱采用型钢混凝土柱;混凝土筒体四角和洞口两侧配置型钢,成为型钢混凝土剪力墙;梁采用钢梁,二层框架设置转换层,转换梁采用型钢混凝土梁。混凝土强度等级:一至十层为C50,十一层以上为C40。筒体墙厚:一至六层700mm,七至十层600mm,十一层以上400mm。柱截面:一至二层为950mm×950mm,三至六层角柱为950mm×950mm,其他柱尺寸为650mm×650mm。框架梁采用钢梁,框架钢梁与混凝土筒体采用铰接方式。 抗震设防烈度8度,场地土类别为Ⅱ类,设计地震分组为第一组。 上述结构按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)及《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138-2001)的要求进行设计,剪力墙抗震等级特一级,框架抗震等级一级,框支框架抗震等级特一级。 2 静力非线性分析 分别采用了SAP2000、PUSH/EPDA和ABAQUS三个不同力学模型的计算程序对结构进行静力非线性分析。图3为三个程序计算获得的基底剪力与顶点位移的骨架曲线,由图可见计算曲线与试验曲线吻合较好。此外,计算结果在构件内力、变形等方面也相差不大。 2.1 b利用塑性铰设置一波或铰 SAP2000的弹塑性分析通过对构件设置塑性铰完成。软件提供的塑性铰类型有:M铰(纯弯铰)、PMM铰(压弯铰)、P铰(轴向拉压铰)和V铰(剪切铰)。在构件可能出现塑性破坏的位置预先设置相应的塑性铰,实现结构的弹塑性计算。 在分析中,梁单元两端设置M铰,跨中设置V铰;柱单元两端设置PMM铰,柱中设置V铰;将墙肢离散成柱单元,墙与墙的形心之间、墙形心与梁端点之间用刚域或刚性梁连接。为简化计算,可以将垂直加载方向的墙肢设成两端设P铰的柱单元。 2.2 双梁梁、柱、墙、连梁弹性有限元分析 PUSH/EPDA为中国建筑科学研究院结构所开发的用于进行高层建筑结构弹塑性计算的分析软件。在结构弹塑性分析中,梁和柱采用纤维模型弹塑性梁元,混凝土剪力墙和连梁采用弹塑性膜单元;墙和连梁中的钢筋分别由等体积的钢筋薄膜代替。 ABAQUS为大型通用非线性有限元分析软件,提供了各种非线性计算单元。本次计算,结构柱采用纤维模型弹塑性梁单元,梁采用弹性梁两端设塑性铰的计算模型,混凝土剪力墙采用考虑分布式配筋的弹塑性壳单元。 3 试验结果的抗强试验的表明 3.1 试验结果与分析 从多次大地震震害经验,特别是1999年台湾集集地震和1995年日本阪神地震,可以发现,结构常见倒塌破坏模式有两种:层剪切破坏(图4b);竖向构件拉断引起的整体倾覆破坏(图4c)。现行规范采用的能力设计方法希望的耗能机构是梁端和底层柱脚出塑性铰(图4a),并对层剪切破坏模式采取了预防措施,但对竖向构件拉断引起的整体倾覆破坏模式还未有充分重视。 本次试验模型根据现行规范方法进行设计,在静力往复水平加载下破坏结果主要是:1)框架柱出现大量水平拉弯裂缝,最终受拉一侧框架的2层角柱柱顶和转换梁上的两个边柱根部拉断,见图5;2)筒体底部区域(一至四层)出现大量斜裂缝,根部水平开裂,最终混凝土筒体剪力墙受拉肢根部全部拉开,缝宽大于