某超高层框支剪力墙结构的静力弹塑性分析

某超高层框支剪力墙结构的静力弹塑性分析【摘要】复杂的超高超限高层建筑结构需要进行弹塑性分析及计算来验证其是否满足抗
震设防要求。

本文以深圳某超高层框支剪力墙结构为例，用三维弹塑性分析软件GSNAP进行了静力弹塑性分析，对结构的整体反应结果和构件损伤情况进行了分析和评估，用详细的量化指标验证了该结构能够在罕遇地震水平下实现“大震不倒”。

【关键词】超限高层；静力弹塑性分析；罕遇地震；抗震性能
0 前言
本工程建筑面积3.29万平米，主楼为33层，地下室3层。

结构体系为部分框支剪力墙结构，结构总高110米，主楼平面尺寸为25.2米X25.9米，整体的高宽比4.36，长宽比为1.03。

建筑方案要求底部为大空间，在5层设置转换层，同时存在平面凹凸不规则和位移比超限等不规则项。

根据高规（JGJ3-2010）第10.1条规定，属于复杂高层建筑结构。

为了检验结构在罕遇地震作用下是否满足“大震不倒”的抗震设计要求，有必要对其进行弹塑性分析，验算弹塑性层间变形，判断主要抗侧力结构的屈服顺序和损伤程度，根据构件破坏顺序研究结构的屈服机制，对结构的整体抗震性能做出综合评估。

根据高规（JGJ3-2010）第3.11.4条规定，本工程采用静力弹塑性方法进行分析。

静力弹塑性分析方法的特点是：虽然静力弹塑性分析方法在理论上有着诸多缺陷，但静力弹塑性分析可以通过比较简单的分析过程，了解结构在侧向力作用下从构件到结构多层面的弹塑性性能，且基本不影响传统的设计流程（弹性设计、弹塑性验算），因而在应用上有着很好的优势，其主要优点包括：
（1）可以对结构的弹塑性全过程进行分析，了解构件破坏过程，传力途径的变化，结构破坏机构的形成，以及设计中的薄弱部位等；
（2）可以较为简便地确定结构在不同地震强度下目标位移和变形需求，以及相应的构件和结构能力水平。

本工程弹塑性静力分析采用GSNAP程序，本程序由广东省建筑设计研究院及深圳市广厦软件有限公司研发，它是一个力学计算采用通用有限元架构，同时又和结构设计规范紧密结合的建筑结构弹塑性分析软件。

在程序结构的组织上采用了通用有限元技术，使其在分析上具有通用性，梁柱采用纤维束模型，墙采用弹塑性壳模型，可以适用于任何结构形式。

1 模型建立与参数确定
1.1 整体模型
根据初步设计方案建立三维整体结构模型，对主要抗侧力构件（剪力墙和连梁、框架梁柱）按照实际情况进行模拟。

假定结构在地下2层地面嵌固，采用瑞利阻尼，阻尼比取5%。

1.2 构件模型
弹塑性梁柱单元采用纤维束模型构造，单元切线刚度直接基于混凝土材料微元及钢筋材料微元的本构关系。

弹塑性墙元面内刚度的力学模型采用平面应力膜，并可以考虑开洞，与梁柱元一样，它的单元切线刚度也直接基于混凝土材料微元及钢筋材料微元的本构关系。

墙元的面外刚度用简化的弹塑性板元进行考虑。

楼板采用弹性壳单元。

1.3 材料本构关系
混凝土材料的受压上升段本构关系采用SAENZ曲线模拟，并考虑了其中的下降段，考虑了混凝土的抗拉能力。

钢筋的本构关系采用理想弹塑性模型，在实际计算中，为了保证计算
的稳定性，对塑流段也给予一个微小斜率。

1.4 加载模式
整个的加载过程包括两大步，第一步是施加竖向的静力荷载，第二步是施加侧推荷载。

对于竖向静力荷载的施加，一般的静力弹塑性分析程序是通过线弹性静力分析粗略确定结构
内力，然后把这个弹性内力作为侧推分析的初应力来处理。

为了保证分析的精度，在GSNAP
程序中，静力荷载和侧推荷载均采用STEP-BY-STEP的非线性分析。

对于侧推荷载的形式，本
工程采用矩形加载方式。

2 大震作用下静力弹塑性分析
大震下（罕遇地震）进行静力弹塑性分析，主要是为了判断“大震不倒”的设防要求能否
满足，发现结构应力和塑性应变集中的部位，判断结构的屈服机制和破坏类型，找到薄弱层
并验算弹塑性变形。

2.1 X向弹塑性静力推覆分析
（1）X向的能力曲线、需求曲线及抗倒塌验算结果：
图1荷载方向与X轴为0度角时抗倒塌验算图
由上图可得，该工程X向性能点处层间位移角为1/232〈1/120，满足罕遇地震作用下规
范规定的变形要求。

与需求点相对应的总加载步号为18步。

性能点基底剪力为26489.8KN，
是小震基底剪力的4.8倍；性能点顶点最大位移为313.4mm，是小震顶点最大位移的4.6倍。

（2）第18加载步所对应的结构主方向位移、位移角和有害位移角曲线：
其中，所显示的X主方向最大层间位移角为1/232，所对应的层号为第12层；X主方向
最大有害层间位移角为1/198，所对应的层号为第10层。

（3）本工程X向在第18加载步所对应的结构杆端塑性状态：
梁柱铰：青色圆圈代表当前时间步出现的塑性铰（弯曲铰）。

墙铰：青色叉代表当前步出现的塑性铰（弯曲铰），蓝色叉代表非当前步出现的塑性铰（弯曲铰）。

剪力墙弹塑性裂缝状态：短线表示，黑色表示受拉裂缝，黄色表示受压裂缝，红色表示
压碎裂缝（达到极限应变）。

第18加载步X向所对应的结构杆端塑性铰及墙体塑性铰分布图
2.2 Y向弹塑性静力推覆分析
（1）Y向的能力曲线、需求曲线及抗倒塌验算结果：
图2荷载方向与X轴为90度角时抗倒塌验算图
由上图可得，该工程Y向性能点处层间位移角为1/195〈1/120，满足罕遇地震作用下规
范规定的变形要求。

与需求点相对应的总加载步号为17.2，取第18步。

性能点基底剪力为
25322.3KN，是小震基底剪力的4.5倍；性能点顶点最大位移为408.4mm，是小震顶点最大位移的5.7倍。

（2）第18加载步所对应的结构主方向位移、位移角和有害位移角曲线：
其中，所显示的Y主方向最大层间位移角为1/180，所对应的层号为第16层；Y主方向
最大有害层间位移角为1/231，所对应的层号为第15层。

（3）本工程Y向在第18加载步所对应的结构杆端塑性状态：
第18加载步Y向所对应的结构杆端塑性铰及墙体塑性铰分布图
通过对上述结果分析可知：在性能点处，本工程剪力墙连梁大部分出铰，说明在大震作
用下剪力墙连梁刚度明显退化；部分框架梁端亦出现塑性较现象；从结构整体的有害层间位
移角曲线可知，结构的薄弱层为第15层附近，并且由于第6层结构刚度出现较为明显突变，故第6-16层，在大震作用下剪力墙出现了较多的水平受拉裂缝和少数的斜向裂缝，第6层局部墙肢还出现了少量的受压裂缝，第6-16中少数剪力墙还出现了塑性铰，而其它层则只有较
轻微的局部受拉裂缝及个别墙肢出现塑性铰，说明在整体结构中第6-16比较薄弱，在设计中
应予以加强。

尤其是裂缝开展比较多的墙体，宜适当提高该墙段边缘构件和竖向分布筋的配
筋率，以提高其抗拉和抗压承载力。

在性能点处框支柱及框支梁均没有出现塑性铰。

分析各加载步塑性铰分布可以看出，在罕遇地震作用下，整个结构首先是从6-18层中
个别连梁端开始出现塑性铰，继而楼层中出现塑性铰的梁数逐渐增多，然后逐步向上部及下
部楼层开始扩展，与此同时6层剪力墙首先开始出现受拉裂缝，继而裂缝增多并向其它楼层
扩展开来，然后局部墙肢开始出现塑性铰，最后达到性能点时，结构整体中剪力墙产生塑性
铰的数量并不是很多，并且进入塑性阶段的时间也比较晚。

3.结束语
静力弹塑性分析结果表明，在大震作用下，在性能点处框支柱及框支梁均没有出现塑性铰，部分剪力墙出现了弯曲屈服，连梁及框架梁出现了较多的塑性铰，但均未出现剪切破坏；最大层间位移角小于规范限值，满足“大震不倒”的要求。

静力弹塑性分析方法在建模和运算
方面较为简便，随着研究的深入和对该方法的不断改进，静力弹塑性分析方法将在工程领域
中得到更为广泛的应用。

参考文献：
[1] JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[2] GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].
[3] 建筑结构弹塑性静力和动力分析软件GSNAP说明书[M].
[4] 建筑抗震弹塑性分析-原理、模型与在ABAQUS，MSC.MARC和SAP2000上的实践[M].。