北京当代MOMA结构的抗震性能设计及静力弹塑性分析

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1、第1 九届伞固高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年北京当代M O M A 结构的抗震性能设计及 静力弹塑性分析徐自国1肖从真1李勇2李跃林( 1 中国建筑科学研究院北京1 0 0 0 1 3 ；2 北京首都工程建筑设计有限公而J 匕京1 0 0 0 3 5 )提要堆十性能的结构抗震设计目前获得世界各国的广泛关注本文介绍r 某复杂结构的幕十性能的抗震I 啦汁措施，并针对坌l ! i 构的小规则性，采用静力弹塑性方法对结构进行r 小问水、卜地震作用下的拌塑性反应分析。计算分析结果表明，结构满足“丈震不倒”的抗震设防目标，并实现r 性能设计中提n ；的n ：中 震作用下所有柱及剪力墙不发生屈服

2、的性能目标 关键词性能设计，静力弹塑性分析，复杂结构，悬挑，体型收进1 、概述目前，基于性能的抗震设计在世界各国得到了广泛关注，其主要特点是根据确定的性 能目标，综合考虑结构受到的荷载作用、构件反应及结构屈服机制等因素。将抗震设计由单一承载能力的目标设计转变为多重性能( 承载能力、屈服机制及变形能力等) 的目标设 计，冈而基于性能的抗震设计要求对结构的抗震性能水准进行深入的计算分析。静力非线性分析方法，又称P u s h o v e r 分析，是目前基丁- 性能的结构抗震设计中采_ 【 = I 的主要分析方法，已为国内外多项设计规范推荐采用，如我国的建筑抗震设计规范、 美国A T C 一4 0

3、 ”1 、F E M A 一3 5 6 ”1 及日本日本建筑标准法等。其基本做法是首先在结构上施加竖向静载和活荷载并保持不变，再沿结构高度施加某种分布形式( 如均匀荷载、倒二角 形荷载等) 的侧向荷载或位移作用以模拟地震作用，继而逐级增大侧向荷载水平并计算每 级荷载F 结构的非线性反应，直至结构达到预定状态( 位移限值或目标位移等) ，最后评 估结构整体的抗震性能。 严格意义上讲，静力非线性分析方法仅是一种采用静力模拟得到结构在动荷载( 地震)作剧F 非线性响应的方法，然而其原理相对简单，可操作性强，计算结果可读性强、易丁I 判断，且能与设计反应谱对应，同时经过多年的理论研究”“”“及J =

4、程实践证明”。在 合理确定参数前提下，静力非线性分析方法能够正确插述结构的非线性性质及变形形态，准确暴露结构的薄弱部位，并对结构整体的抗震性能给出合理正确的评价。 本文针对一实际超限、不规则络构，采用性能化设计思想，按不同构件及位置分别提 出结构的抗震性能目标，并采用静力非线性分析方法，对其在不同水平地震作_ f j - 卜f 的E 线性响应过程进行数值模拟，揭示其薄弱部位，验证确定的性能目标，评价整体结构的抗震 性能，进而为判定结构是否满足规范提出的抗震性能目标以及在罕遇地震作_ L j 下不倒塌的 抗震设防水准提供依据。2 、工程概况棣一困蚪1 9 7 79d ；生，_ 亡牲帅3 0 6

5、第 。九届牟国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年塔楼及其它建筑组成，包括一个中心影院和地F 停车库，塔楼主要用于住宅用途。九个塔楼 在结构顶部通过连廊近接成环形系统，并且多个塔楼顶部带有较大的悬挑结构。 在结构设计过程中，采用隔震支座将连廊两端均与塔楼隔开，避免了塔楼之间的相互 影响，并采取了地F 室项班嵌围及裙房设置抗震缝等措施，使得各塔楼结构受力清晰、明 确，并可作为独立的计算单元进行结构计算及设计。本文的内容仅包括楼群中的T 1 结构。 T l 结构( 参见图1 3 ) 建筑总高度6 5 5 5 m ，总建筑面积约1 8 8 0 0 m 2 ，地下2 层地上 2 1 层其中l 8

6、 层为裙房，并在1 7 2 1 层( 距离地面5 6 4 m ) 处设置一高5 层、悬挑长 度约l O m 的悬挑结构。 本工程抗震设防烈度为8 度，抗震设计分组为第一组，抗震设防类别为丙类，场地类 别为I I I 类。结构主体为钢筋混凝土框架一核心筒结构其中在结构塔楼位置设置了核心 筒，核心筒尺寸为9 3 5 m 7 9 m ，墙厚l 9 层为4 0 0 m m ，1 0 1 5 层为3 5 0 m m ，1 6 2 1 层为 3 0 0 m m ，承担主要的地震作用。结构框架柱沿结构周边布置，截面尺寸一般为4 0 0 m m X 8 0 0 m m ， 标准柱距3 3 m ，框架梁高7 3

7、 0 m m ；悬挑部分采用钢结构以减小悬挑结构自重，并设置与主 体连接的受拉型钢混凝士斜撑，提高悬挑结构的刚度和承载力；楼面系统采用2 5 0 m m 厚无 柱帽现浇混凝士平板体系。此外为增大结构的抗扭刚度在结构立面上布置了部分斜撑：基础则采用C F G 复合地基上筏板基础形式。 V ：i二 i一，圈1T I 结构计算模型圈2 裙房部分结构平面布置圈。：。2 i 一：；。 r 1r 酬_ I 甲1 【；i ：，。= ：。= = 。= ：。= 一 田3 塔棱部分结构平面布簋图3 、基于性能的设计及静力弹塑性分析的目的本工程结构较为复杂，按高层建筑混凝土结构技术规程( j 6 j 3 - - 2

8、 0 0 2 ) ( 以下简 称高规) 规定，属于超限、不规则结构。其结构具有如下复杂性： 1 结构竖向体型收进严重：结构从第9 层开始收进，收进尺寸达3 6 m ，超过高规 建议的最大收进尺寸( 1 5 2 m ) ，根据文献 7 的研究成果，当结构存在较大程度的体型收 进，造成结构竖向刚度不连续时，收进处竖向构件的内力会明显增大，对结构抗震不利； 2 结构高位设置人悬挑结构：从1 6 层顶板开始向主体外侧悬挑出l O m 、共5 层悬挑结构，超过高规建议的最大悬挑尺寸( 小于等于4 m ) 。文献【8 】指出，悬挑结构对整 体结构的水平地震作用、竖向地震作用以及结构局部构件均有显著影响，对

9、结构抗震不利；3 局部转换及转换形式特殊：结构在局部位置抽去1 3 层框架柱，形成了梁托柱的 局部转换，同时在转换梁上部还设置了钢管斜撑，使得结构荷载的传递路径不明确，构3 0 7 第1 九同伞囝高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年件受力状态复杂，该情况在结构其余部位亦存在； 4 结构平面布置无对称性，其不同方向的抗震性能不明确。 综上可见，本结构存在多种不规则，其动力特性及地震响应必然复杂，尤其是罕遇地震作用下的抗震性能不明确。针对这样一个不规则结构，设定了比规则结构更高的性能水准： 1 ) 主体结构的竖向构件( 框架枰及剪力墙) ，采用中震不屈服的性能设计目标：2 ) 悬挑结构部分钢

10、结构采用中震弹性的性能设计目标； 3 ) 悬挑结构与连廊底部支撑柱，采用中震l J L _ 上L J _ _ L 弹性的性能设计目标；为达到上述性能水准，在结构设计中采取了以下一系列措施： 1 ) 根据以往的研究成果和多次弹塑性分析结果， 在结构体型收进部位两侧设置附加斜撑( 图4 ) ，以 尽量减小收进处结构刚度的突变。 2 ) 按照中震出现拉力为原则，在悬挑位置主体结构外围的框架柱中设置型钢以保证结构有足够的安全 度 3 ) 为了暴露结构的薄弱部位，给出结构整体不同方向在不同水平地震作用下的抗震性能的定量解答， 掌握结构的地震安全性。验证上述性能设计目标，进行了静力弹塑性分析。4 、静力弹

11、塑性分析圈4 体型收进部位附加斜摊示意圈4 1 模型简化方法 由于结构形体和布置复杂，加之目前计算软件的限制，进行必要的简化处理： 1 ) 结构构件采用空间粱一柱单元模拟，其中剪力墙均分解为单肢，分别采用空间粱 柱单元进行模拟，并用刚性连接以保证其变形协调：。2 ) 计算模型中结构主体范隔内( 外框架柱范 围内) 采用刚性楼板假定。悬挑部分采用弹性楼板假定；”3 ) 结构构件弹塑性性质采用集中塑性铰模型进行考虑。 4 2 静力弹塑性分析的重点及方法 随着计算软件及硬件的发展，目前市场上已有多种国外计算软件可以进行结构的静力弹塑性 分析，但多存在对中国规范中相关内容考虑不全 的缺点，如按照C F

12、 E M A 一3 5 6 ”1 等非中国规范计一厂L图5 ，塑性惶骨架曲线模型示意图算塑性铰性质，不能自动生成中国规范需求谱等。若简单采用程序自动生成的塑性铰性质 进行分析将可能导致计算结果产生偏差，以及性能评价困难等问题。 为了解决上述问题，同时考虑结构质量一刚度偏心、悬挑及连廊结构竖向地震及体型收进等影响，在静力弹塑性分析过程采取的措施如F ：3 壹蓐第十九届全国高层矬筑结构学术会议论文2 0 0 6 年1 ) 构件塑性铰模型的建立 本文静力弹塑性分析中，所有构什的塑性铰性质均根据我国规范的相关规定采用自主开发的程序计算得到。其基本原理及做法为：将截面离散化为许多小面积的“纤维”在 给定

13、轴力作用F 逐步增加截面曲率，基丁平截面假定计算每根“纤维”的廊变，并根据不 同材料单轴应力一应变关系确定其止应力，然后通过截面应力积分求得截面对应弯矩值， 最后根据程序采用的塑性铰骨架曲线模型( 参见圈5 ，图中：A - B 阶段为线弹性段，B - C 阶 段为塑性强化段，B 为_ | 茁服点；a 、b 及c 依次为屈服后塑性变形能力，总塑性变形能力及 残余强度) ，采用等能量法则简化计算得到的弯矩一转角曲线，并参考A T C 一4 0 ”| 及F E 姐 - - 3 5 6 ) ”1 相关规定确定各关键点输入参数。程序中无约束混凝土( 主要为钢筋混凝土及劲 性混凝土构件的素混凝十保护层)

14、的单轴应力一应变关系采用M a n d e r 模型，极限压应变取 为0 0 0 3 3 ：约束混凝土采用M a n d e r 约束混凝土模型以考虑箍筋对其强度与变形能力的增强效应，极限压应变取为0 0 2 ”“；而对丁- 钢材( 型钢及钢筋) ，为保证结构构件在屈服 后仍能保留一定量的承载力储备本文采用理想弹塑性应力一应变关系忽略其硬化后强度 的增长其极限拉应变取为0 0 5 ”“”。计算中所有材料的强度均参照我国规范取标准值。 对于不同受力类型的构件，具体考虑如下：( 1 ) 梁：由于采用了刚性楼板假定因此 计算中粱( 钢筋混凝土及型钢混凝土粱) 仅考虑其受弯弹塑性性能，即M 铰：( 2

15、 ) 柱、墙 及关键部位的刚接斜撑：这些构件是结构中的主要竖向构件及抗侧力体系，其屈服机制与 轴力一弯矩的组合作用紧密相关。因此，本部分计算中将所有柱、剪力墙及刚接斜撑的塑 性铰性质均设为轴力一弯矩( P - M M ) 相关铰，以较为准确地模拟其变形行为( 3 ) 铰接斜撑：本结构中除关键部位外，大部分斜撑与竖向及水平构件的主要连接形式是铰接，计 算中仅考虑其拉压状态的弹塑性性能，即P 铰模拟其弹塑性性质，其截面抗拉承载力及考 虑稳定影响的截面抗压承载力均根据钢结构设计规范( G B 6 0 0 1 7 - - 2 0 0 3 ) 相关规定计算确定。2 ) 推覆荷载模式的选择及施加方法 迄今

16、已有研究“j 手目出，静力弹塑性分析的结果与施加的侧向荷载模式相关对于高振 型影响较大的中高层结构，在不同侧向荷载分布方式作用下，结构的弹塑性静力分析结果相 差较大。而且高振型的影响越大，这种差别也越大；悬挑结构上部质量大于下部结构，意味着结构高阶振型的影响比较严重”1 。A T c 一4 0 ”1 及F E M A - - 3 5 6 ”1 中推荐，对于复杂结 构，当结构基本周期超过i O s 时，应采用由 振型叠加反应谱法计算得到的、累计参与质量 不小于9 0 的层剪力分布模式进行加载。 考虑到本结构体系复杂，基本振型( 基本周期1 3 4 s ) 已不能全面反映整体结构在地震 作用下的受力及变形特征，故采用弹性多遇地 震的振型叠加反应谱法( 振型有效参与质精大 于9 5 ) 计算的地震作用作为侧向加载的模式，以反映地震作用下结构层惯性力