基于ETABS软件平台的型钢混凝土框架_钢筋混凝土剪力墙结构协同抗震性能研究

建筑设计

基于ETABS软件平台的型钢混凝土框架)

钢筋混凝土剪力墙结构协同抗震性能研究

王道星1王宝卿2

(1西安建筑科技大学土木工程学院710055西安)

(2陕西省建筑科学研究院710082西安)

摘要:由型钢混凝土框架和钢筋混凝土剪力墙两种结构组合而成的结构,外框架的刚度较小,弹性极限变形值和延性系数却较大;内筒RC剪力墙以及竖向支撑RC柱刚度大,弹性极奶变形值和延性系数却较小。整个结构在经反复的水平地震作用下,墙体或坚向支撑很快就超越自身的较小弹性极限变形值,外框架尚未充分发挥其自身的水平抗力,而RC墙体出现裂缝。本文列举某型钢混凝土框架一钢筋混凝土剪力墙结构,地上46层,地面以上高度151.8米,建筑沿高度方向不连续,其中一层至五层为裙楼,五层以上为塔楼核心筒,结构采用三重结构体系抵抗分别由型钢混凝土柱,钢筋混凝土核心筒结构以及构成核心筒和型钢混凝土柱之间相互作用的伸臂桁架构成。通过ETABS有限元分析软件建立模型,提出型钢混凝土框架和钢筋混凝土剪力墙/协同抗震/的抗震概念设计。对于型钢混凝土框架一钢筋混凝土剪力墙结构,应该提高核心筒剪力墙的延性,使抗侧刚度和结构延性更好的匹配,达到外框架和内筒有效的协同抗震。

关键词:型钢混凝土框架)))钢筋混凝土剪力墙结构;协同抗震;结构延性

1引言

型钢混凝土框架一钢筋混凝土剪力墙结构具有强度高、刚度大以及良好的延性及耗能性能,有SRC 构件组成的结构具有良好的抗震能力。因此这种结构特别适用于地震区,尤其在设防烈度在8度以上地区的高层及超高层,更具有优越性。型钢混凝土框架一钢筋混凝土剪力墙结构具有良好的经济性,其抗风、抗震性能也较好,在我国高层建筑中已得到较广泛的应用。鉴于型钢混凝土结构的速发展,人们对这种结构的抗震性能更加关注,有不少疑虑已成为需要继续加以研究解决的问题,包括:抗侧刚度和结构延性的如何更好匹配,在抗震设计中如何降低核心筒钢筋混凝土墙的剪切破坏,迫使抗震墙先于剪切出现弯曲屈服。

本文根据以往在型钢混凝土结构的试验基础上,基于ETABS软件讨论这种结构的破坏模式外框架和内筒协同抗震情况,有效发挥核心筒和外框架的二道抗震防线。初步讨论这种结构的抗侧力刚度和结构延性的匹配问题,提高核心筒剪力墙的延性,使抗侧刚度和结构延性更好的匹配,达到外框架和内筒有效的协同抗震,并在进行抗震设计方面提出一些建议。2ETABS计算模型

2.1模型概况

图1型钢混凝土框架)))

钢筋混凝土剪力墙结构模型全景

这是一幛以办公为主,集商贸,宾馆以及其他公共设施于一体的大型超高层建筑。主体结构为框架一筒体结构,裙楼为框架结构,地下3层,地上46层,地面以上高度204米。层高分别为:一层至四层4.5米、五层6米,五层为转换层,五层以上层高3.3米,其中一层至五层为裙楼。框架柱采用型钢混凝土;内筒为钢筋混凝土剪力墙。其中混凝土强度等级;地下三层至十一层为C40,十二层至二十层为C50,二十一层至二十五层为C45,二十六层至三十层为C40,三十一层至四十层为C35,四十一层以上为C30

。

图2

裙楼结构平面图

图3标准层结构平面图

表1主要设计参数

结构安全等级抗震设

防分类

基本风压

KN/m2

基本雪压

KN/m2

地面

粗糙度

抗震设

防烈度

场地土

类别

设计地

震分组

二丙0.90C7二一

结构安全等级为二级,抗震设防烈度7度,场地土类别二类。金融中心结构设计以国家和地方现行设计规范为依据,结构采用型钢与混凝土的混合结构,结构体系的主要特点有:(1)采用三重结构体系抵抗分别由型钢混凝土柱,钢筋混凝土核心筒结构以及构成核心筒和型钢混凝土柱之间相互作用的伸臂桁架构成。(2)结构沿高度方向不连续,其中一层至五层为裙楼,五层以上为塔楼核心筒。2.2计算模型

2.2.1各构件定义说明

在ETABS中,已经提供了若干种中国规范类型的混凝土材料和钢材料。也可以定义工字钢截面。材料特性都是线弹性。ETABS还提供了三种楼板单元: DECK、PLANK、SLAB和一种墙单元WALL.在ETABS 中把楼板、墙都抽象为面对象,它们的基础模型是壳。因此墙肢使用壳元来模拟。也就是对于竖直的壳,程

序以墙肢进行处理,对于水平的壳,程序以楼板进行处理。

2.2.1材料属性定义

在ETABS中定义各向同性材料,各向同性材料的性能与荷载作用的方向无关,抗剪性能与抗拉性能没有直接关系,而且不受温度变化影响。本分析模型中,钢材和混凝土假定为各向同性材料。各向同性材料不能直接定义剪切模量,由杨氏模量和泊松比关系进行如下计算:

G=

E

2(1+v)

其中,E为杨氏弹性模量;v为泊松比;G为剪切模量;

2.2.2刚性隔板指定

在ETABS中,楼板假定为刚性隔板,一个刚性隔板作为一个刚体,可以在它的平面(整体坐标XY)内平移,以及围垂直于该平面的一个轴(整体坐标轴Z 轴)旋转。刚性隔板实际上都是对于节点之间在平面内变形的限制,刚性隔板的假定使结构体系的自由度明显降低,结构响应的输出也因此变得更为清晰。刚性隔板约束了楼层平面只能作XY平面内的平移和旋转,因此我们就可以读取出刚性隔板的刚心位移来分析整个结构的位移情况,分析刚性隔板的扭转情况来得到整个结构的扭转效应。

2.2.2荷载工况定义

表3反应谱工况数据

结构与函数阻尼比振型组合方向组合

0.05CQC SRSS

2.3模型分析:

在ETABS中,进行分析选项设置。计算模型楼面板指定为刚性,采用板壳单元进行模拟。核心筒钢筋剪力墙也采用板壳单元模拟。建筑模型自由度选为全三维,分析类型选为特征向量,并且考虑P)v 效应,方法选择迭代)基于荷载组合。荷载工况是在恒载和活载两种工况下。根据该地区抗震设防烈度7度,场地土类别二类的要求,选ETABS中所提供的E I)Centro地地震波分析时,分别按照7度基本烈度、七度多遇烈度、七度罕遇烈度的顺序输入

E I Cen-

tro波。地震波的持续时间以及比例调整由ETABS

自动设置。

3结构自振特性的分析结果

3.1模型变形特征

图4裙楼变形剖面图