高层建筑钢斜交网格筒结构地震易损性分析
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摘 要:为了准确判定斜交网格筒中筒结构在各性能水平下的超越概率,本文基于静力弹塑性分析确定各性能水 平的极限状态量化指标限值,并基于增量动力分析的结构易损性分析,建立了相等耗钢量的框架筒中筒结构作为 对比。 研究结果表明:框架筒结构在结构倒塌之前主要由内筒的连系梁屈服耗散地震能量,斜交网格筒结构的地 震耗能过程主要靠外筒斜柱和内筒连系梁。 通过静力弹塑性分析确定的结构性能水平极限状态的量化指标,在分 析结构的易损性时,更能体现结构的真实破坏状态与失效概率。 斜交网格筒结构相较于框架筒结构的抗震性能更 优,特别是当结构遭遇超大地震作用时有更大的抗倒塌性能。 关键词:高层建筑; 斜交网格筒; 抗侧移体系; 弹塑性分析; 性能水平; 量化指标; 地震易损性; 超越概率 DOI:10. 11990 / jheu. 202001011 网络出版地址:http: / / www. cnki. net / kcms / detail / 23. 1390. u. 20210420. 1718. 006. html 中图分类号:TU313. 3,TU355 文献标志码:A 文章编号:1006-7043(2021)07-1063-07
第 42 卷第 7 期 2021 年 7 月
哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Journal of Harbin Engineering University
Vol. 42 №. 7 Jul. 2021
高层建筑钢斜交网格筒结构地震易损性分析
方登甲, 刘成清, 杨鲸津
( 西南交通大学 土木工程学院,四川 成都 610031)
Abstract:The limit value of the quantitative index of each performance level is determined in this paper based on static elastoplastic analysis in order to accurately determine the exceedance probability of diagrid-tube structure in high-rise buildings at each performance level. Then, on the basis of the structural fragility analysis of incremental dynamic analysis, the frame-tube structure with equal steel consumption is established as a comparison. Results show that seismic energy is mainly dissipated by the coupling beam yield of the inner tube before the collapse of the frame-tube structure. Furthermore, the seismic energy dissipation process of the diagrid-tube structure mainly depends on the inclined column of the outer tube and the coupling beam of the inner tube. The quantitative index of the structural performance level limit state, which is determined by static elastoplastic analysis, can better reflect the real failure state and failure probability of the structure when analyzing the fragility of the structure. Compared with the frame-tube structure, the diagrid-tube structure has better seismic performance and has larger anti-collapse performance, especially when the structure is subjected to major earthquakes. Keywords:high-rise buildings; diagrid-tube structure; anti-lateral deformation system; elastoplastic analysis; performance level; quantitative index; seismic fragility; exceedance probability
Seismic fragility analysis of steel diagrid-tube structure in high-rise buildings
FANG Dengjia, LIU Chengqing, YANG Jingjin
( Schoolof Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
表 1 构件截面信息 Table 1 Sectional dimensions of components
框架筒
斜交筒
构件
楼层
截面
截面尺寸 / mm
总质量 / 102 kg
构件
楼层
截面
截面尺寸 / mm
总质量 / 102 kg
1 ~4
5 ~8
9 ~ 12
外筒柱 13 ~ 16
17 ~ 20
估,本文以百米级高层建筑为例,用 ETABS 软件设 计基于总质量及内外筒总用钢量相等原则的框架筒 和斜交网格筒,并用有限元 Perform-3D 进行数值建 模和非线性分析。
为能够清楚简洁地表征框架筒及斜交网格筒结 构二者双重抗侧力体系的区别,研究对象为筒中筒 结构,两结构平面均为 30 m× 30 m 的矩形,结构总 高度 100. 8 m,高宽比 3. 36,层高均为 3. 6 m。 抗震 设防烈度为 8 度( 0. 2g) ,场地类别为Ⅱ类场地,设 计地震分组为第 2 组,场地特征周期 0. 4 s。 两结构 的梁和柱构件均为钢结构,钢材为 Q345,板构件采 用板厚为 150 mm 的 C30 混凝土。 楼面均布恒载、 活载均取 3 kN / m2。 框架筒与斜交网格筒结构模型 见图 1。 构件截面具体尺寸见表 1。 斜交网格筒结 构的总重比框架筒结构的大 0. 18%,两结构总质量 接近相等。 斜交网格筒结构的基本周期比框架筒的 小 33. 62%。
21 ~ 24
25 ~ 28
内筒柱
1 ~ 28
环梁
1 ~ 28
连梁及连系梁 1 ~ 28
450×450×20×20 420×420×20×20 390×390×18×18 箱型 360×360×18×18 9 363. 03 340×340×16×16 330×330×16×16 330×330×14×14 箱型 590×590×25×25 16 187. 58 工字型 800×300×15×20 5 335. 60 工字型 600×200×12×15 10 012. 54
3T( twisted,tilted,& tapered) 设计[1] 作为一种结 构设计元素为实现不同长细比要求的世界各地标志 性摩天建筑提供了可能性。 3T 设计元素塑造的新 型结构之一———斜交网格结构,因其外观如镶嵌宝 石般展现出简洁、直挺的建筑美而在近些年迅速风
收稿日期:2020 - 01 - 06.
靡全球。 Volner 甚至提到高层建筑无疑已是进入斜 交网格结构的时代[2] 。 近 20 年来,已经有许多文献 研究了斜交网格结构的初始设计方法、抗震性能、抗 连续倒塌能 力、 剪 力 滞 后、 平 面 立 体 几 何 形 状 的 优 化、节点连接以及试验研究等[3-4] 。 为了提高高层 建筑斜交网格结构的性能,基于性能的结构抗震思 想也被逐渐运用于斜交网格结构的设计和评估。 性 能设计目标通常侧重于提高结构的承载能力而推迟 结构进入塑性变形[5] 。 由于地震的随机性和不确 定性,基于性能的结构分析与评估应建立在概率基
网络出版日期:2021 - 04 - 21.
基金项目:国家自然科学基金项目707005100) .
作者简介:方登甲, 男, 博士研究生;
刘成清, 男, 副教授, 博士生导师.
通信作者:刘成清, E-mail: lcqjd@ swjtu. edu. cn.
第7期
方登甲,等:高层建筑钢斜交网格筒结构地震易损性分析
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采用三维非线性分析软件 Perform-3D 的纤维 模型进行非线性分析。 钢材采用考虑应变硬化的三 线性弹塑性模型,强屈比取 1. 2,极限受拉应变值取 10 倍的屈服应变值。 按技术规程[9] 的第 5. 4. 6 条 规定,结构阻尼比在多遇地震取 0. 03,罕遇地震取 0. 05,计算时考虑 P-Δ 效应。 采用纤维截面对数值 模型中梁(连系梁、环梁)和柱(斜柱) 的塑性特征进 行模拟,梁柱构件单元由两端设置塑性区和中间弹 性杆组成,并定义梁柱纤维截面的塑性区。 假设所 有节点均为刚接,采用平截面假定和刚性楼板约束。 刚性楼板的水平质量和水平转动质量按 ETABS 的 分析结果输入,构件和节点上的荷载按 ETABS 设计 换算后的荷载值输入。
高层斜交网格结构形式往往是筒中筒结构体 系,分外内筒和外筒,内外筒之间的剪力分配和地震 作用下的剪力流向均影响结构的性能状态的变化和 抗震性能。 因此,本文通过静力弹塑性分析方法确 定了斜交网格筒中筒结构( 以下简称斜交筒) 的性 能水平及其极限状态限值,并以此对结构进行了易 损性评价。 在此过程中,建立与斜交网格筒总用钢 量相同的框架筒中筒结构( 以下简称框架筒) 来做 对比分析。
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哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报
第 42 卷
础上[6] 。 结构地震易损性曲线直接受性能水平的 极限状态限值的影响,对于传统结构可以根据规范 以及现有研究结果可以参考取值,而对于斜交网格 结构因其侧向刚度较大,性能水平的极限取值很难 决定。 已经有学者提出方法来确定传统结构的性能 水平极限状态限值,如张令心等[6] 所提出的通过增 量动力分析曲线的斜率判断性能水平的方法对于传 统超高层混合结构的易损性评价有很高的准确性, 而对于钢结构有时候因出现结构刚度硬化就可能不 好做出判断;尹建华等[7] 也提出基于形态点的取值 方法,但对于斜交网格结构的适用性有待于进一步 研究。 斜交网格结构构件的塑性铰成形顺序是一个 值得的研究课题之一,塑性铰开展可以演示结构渐 进破坏的过程。 刘晶波等[8] 通过描述结构的极限 破坏状态确定了性能化指标限值,可以准确评价钢 管混凝土框架的易损性,但是此方法只仅限于通过 第 1 层结构的破坏来定义整体结构性能的指标 限值。
1 ~4
5 ~8
9 ~ 12
外筒斜柱 13 ~ 16
17 ~ 20
21 ~ 24
25 ~ 28
内筒柱
1 ~ 28
环梁
1 ~ 28
连梁及连系梁 1 ~ 28
450×450×19×19 420×420×19×19 390×390×17×17 箱型 360×360×17×17 9 375. 62 340×340×15×15 330×330×15×15 330×330×13×13 箱型 590×590×25×25 16 187. 58 工字型 800×300×15×20 5 439. 86 工字型 600×200×12×15 10 136. 59
1 双重抗侧力结构体系
筒中筒结构的外周框架( 或外周斜交网格筒)
与内筒的相对强弱对结构的内力分配、抗震性能以
及抗连续倒塌性能等有着密切联系。 为分别讨论结 构中框架筒和斜交网格筒的结构易损性的准确评
图 1 框架筒与斜交网格筒结构模型 Fig. 1 Structural model of frame-tube and diagrid-tube
第 42 卷第 7 期 2021 年 7 月
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Vol. 42 №. 7 Jul. 2021
高层建筑钢斜交网格筒结构地震易损性分析
方登甲, 刘成清, 杨鲸津
( 西南交通大学 土木工程学院,四川 成都 610031)
Abstract:The limit value of the quantitative index of each performance level is determined in this paper based on static elastoplastic analysis in order to accurately determine the exceedance probability of diagrid-tube structure in high-rise buildings at each performance level. Then, on the basis of the structural fragility analysis of incremental dynamic analysis, the frame-tube structure with equal steel consumption is established as a comparison. Results show that seismic energy is mainly dissipated by the coupling beam yield of the inner tube before the collapse of the frame-tube structure. Furthermore, the seismic energy dissipation process of the diagrid-tube structure mainly depends on the inclined column of the outer tube and the coupling beam of the inner tube. The quantitative index of the structural performance level limit state, which is determined by static elastoplastic analysis, can better reflect the real failure state and failure probability of the structure when analyzing the fragility of the structure. Compared with the frame-tube structure, the diagrid-tube structure has better seismic performance and has larger anti-collapse performance, especially when the structure is subjected to major earthquakes. Keywords:high-rise buildings; diagrid-tube structure; anti-lateral deformation system; elastoplastic analysis; performance level; quantitative index; seismic fragility; exceedance probability
Seismic fragility analysis of steel diagrid-tube structure in high-rise buildings
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( Schoolof Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
表 1 构件截面信息 Table 1 Sectional dimensions of components
框架筒
斜交筒
构件
楼层
截面
截面尺寸 / mm
总质量 / 102 kg
构件
楼层
截面
截面尺寸 / mm
总质量 / 102 kg
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5 ~8
9 ~ 12
外筒柱 13 ~ 16
17 ~ 20
估,本文以百米级高层建筑为例,用 ETABS 软件设 计基于总质量及内外筒总用钢量相等原则的框架筒 和斜交网格筒,并用有限元 Perform-3D 进行数值建 模和非线性分析。
为能够清楚简洁地表征框架筒及斜交网格筒结 构二者双重抗侧力体系的区别,研究对象为筒中筒 结构,两结构平面均为 30 m× 30 m 的矩形,结构总 高度 100. 8 m,高宽比 3. 36,层高均为 3. 6 m。 抗震 设防烈度为 8 度( 0. 2g) ,场地类别为Ⅱ类场地,设 计地震分组为第 2 组,场地特征周期 0. 4 s。 两结构 的梁和柱构件均为钢结构,钢材为 Q345,板构件采 用板厚为 150 mm 的 C30 混凝土。 楼面均布恒载、 活载均取 3 kN / m2。 框架筒与斜交网格筒结构模型 见图 1。 构件截面具体尺寸见表 1。 斜交网格筒结 构的总重比框架筒结构的大 0. 18%,两结构总质量 接近相等。 斜交网格筒结构的基本周期比框架筒的 小 33. 62%。
21 ~ 24
25 ~ 28
内筒柱
1 ~ 28
环梁
1 ~ 28
连梁及连系梁 1 ~ 28
450×450×20×20 420×420×20×20 390×390×18×18 箱型 360×360×18×18 9 363. 03 340×340×16×16 330×330×16×16 330×330×14×14 箱型 590×590×25×25 16 187. 58 工字型 800×300×15×20 5 335. 60 工字型 600×200×12×15 10 012. 54
3T( twisted,tilted,& tapered) 设计[1] 作为一种结 构设计元素为实现不同长细比要求的世界各地标志 性摩天建筑提供了可能性。 3T 设计元素塑造的新 型结构之一———斜交网格结构,因其外观如镶嵌宝 石般展现出简洁、直挺的建筑美而在近些年迅速风
收稿日期:2020 - 01 - 06.
靡全球。 Volner 甚至提到高层建筑无疑已是进入斜 交网格结构的时代[2] 。 近 20 年来,已经有许多文献 研究了斜交网格结构的初始设计方法、抗震性能、抗 连续倒塌能 力、 剪 力 滞 后、 平 面 立 体 几 何 形 状 的 优 化、节点连接以及试验研究等[3-4] 。 为了提高高层 建筑斜交网格结构的性能,基于性能的结构抗震思 想也被逐渐运用于斜交网格结构的设计和评估。 性 能设计目标通常侧重于提高结构的承载能力而推迟 结构进入塑性变形[5] 。 由于地震的随机性和不确 定性,基于性能的结构分析与评估应建立在概率基
网络出版日期:2021 - 04 - 21.
基金项目:国家自然科学基金项目707005100) .
作者简介:方登甲, 男, 博士研究生;
刘成清, 男, 副教授, 博士生导师.
通信作者:刘成清, E-mail: lcqjd@ swjtu. edu. cn.
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采用三维非线性分析软件 Perform-3D 的纤维 模型进行非线性分析。 钢材采用考虑应变硬化的三 线性弹塑性模型,强屈比取 1. 2,极限受拉应变值取 10 倍的屈服应变值。 按技术规程[9] 的第 5. 4. 6 条 规定,结构阻尼比在多遇地震取 0. 03,罕遇地震取 0. 05,计算时考虑 P-Δ 效应。 采用纤维截面对数值 模型中梁(连系梁、环梁)和柱(斜柱) 的塑性特征进 行模拟,梁柱构件单元由两端设置塑性区和中间弹 性杆组成,并定义梁柱纤维截面的塑性区。 假设所 有节点均为刚接,采用平截面假定和刚性楼板约束。 刚性楼板的水平质量和水平转动质量按 ETABS 的 分析结果输入,构件和节点上的荷载按 ETABS 设计 换算后的荷载值输入。
高层斜交网格结构形式往往是筒中筒结构体 系,分外内筒和外筒,内外筒之间的剪力分配和地震 作用下的剪力流向均影响结构的性能状态的变化和 抗震性能。 因此,本文通过静力弹塑性分析方法确 定了斜交网格筒中筒结构( 以下简称斜交筒) 的性 能水平及其极限状态限值,并以此对结构进行了易 损性评价。 在此过程中,建立与斜交网格筒总用钢 量相同的框架筒中筒结构( 以下简称框架筒) 来做 对比分析。
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础上[6] 。 结构地震易损性曲线直接受性能水平的 极限状态限值的影响,对于传统结构可以根据规范 以及现有研究结果可以参考取值,而对于斜交网格 结构因其侧向刚度较大,性能水平的极限取值很难 决定。 已经有学者提出方法来确定传统结构的性能 水平极限状态限值,如张令心等[6] 所提出的通过增 量动力分析曲线的斜率判断性能水平的方法对于传 统超高层混合结构的易损性评价有很高的准确性, 而对于钢结构有时候因出现结构刚度硬化就可能不 好做出判断;尹建华等[7] 也提出基于形态点的取值 方法,但对于斜交网格结构的适用性有待于进一步 研究。 斜交网格结构构件的塑性铰成形顺序是一个 值得的研究课题之一,塑性铰开展可以演示结构渐 进破坏的过程。 刘晶波等[8] 通过描述结构的极限 破坏状态确定了性能化指标限值,可以准确评价钢 管混凝土框架的易损性,但是此方法只仅限于通过 第 1 层结构的破坏来定义整体结构性能的指标 限值。
1 ~4
5 ~8
9 ~ 12
外筒斜柱 13 ~ 16
17 ~ 20
21 ~ 24
25 ~ 28
内筒柱
1 ~ 28
环梁
1 ~ 28
连梁及连系梁 1 ~ 28
450×450×19×19 420×420×19×19 390×390×17×17 箱型 360×360×17×17 9 375. 62 340×340×15×15 330×330×15×15 330×330×13×13 箱型 590×590×25×25 16 187. 58 工字型 800×300×15×20 5 439. 86 工字型 600×200×12×15 10 136. 59
1 双重抗侧力结构体系
筒中筒结构的外周框架( 或外周斜交网格筒)
与内筒的相对强弱对结构的内力分配、抗震性能以
及抗连续倒塌性能等有着密切联系。 为分别讨论结 构中框架筒和斜交网格筒的结构易损性的准确评
图 1 框架筒与斜交网格筒结构模型 Fig. 1 Structural model of frame-tube and diagrid-tube