超高层钢框架-钢筋混凝土核心筒结构弹塑性时程分析

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振动与冲击２０１２年第３１卷
ＭＳＣ．ＭＡＲＣ对混合结构进行弹塑性分析的方法；文献８－１０］进行了两个３０层钢管混凝土框架－钢筋混凝［土核心筒结构模型的振动台试验研究和相应的理论分析，探讨了该类混合结构体系的抗震性能。ＢＡＱＵＳ建立了一典本文利用非线性有限元软件Ａ型超高层钢框架－钢筋混凝土核心筒结构的精细有限元模型，对其进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，获得了核心筒和楼板损伤发展过程、基底剪力时程曲线、顶点位移时程曲线和楼层位移角包络曲线以及地震作用下整体结构的能量反应规律，可较为清晰地揭示这类结构在罕遇地震作用下的弹塑性工作性能。
筋混凝土核心筒结构的精细有限元模型，考虑了结构的几何非线性和材料非线性性能，包括了钢材和混凝土材料的塑性损伤演化。进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，获得了核心筒和楼板的损伤演化过程、顶点位移时程曲线、基底剪力时程曲线、楼层位移角包络曲线以及地震作用下整体结构的能量反应规律。结果表明，罕遇地震作用下混凝土最大损失出现在这类结构体系中核心筒底部，为保证其在罕遇地震作用下更好的工作性能，建议在核心筒底部加强区域增设型钢和提高剪力墙配筋率等措施。采用非线性有限元分析方法，可较为清晰的揭示这类结构体系在罕遇地震作用下的工作特性，有关方法可为同类研究提供参考。关键词：超高层；钢框架－核心筒结构；弹塑性分析；时程分析；有限元分析中图分类号：ＴＵ９７３．１４文献标识码：Ａ
Ｅｌａｓｔｉｃｐｌａｓｔｉｃｔｉｍｅｈｉｓｔｏｒｙａｎａｌｙｓｉｓｏｎｓｕｐｅｒｒｉｓｅｓｔｅｅｌｆｒａｍｅｃｏｒｅｗａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
１，２１，３２ＹＡＯＧｕｏｈｕａｎｇ，ＷＡＮＧＷｅｉｈｕａ，ＧＵＯＭｉｎｇ
［１］
（或钢支撑框架）或钢组合框架与钢筋混凝土筒体（或钢筋混凝土剪力墙）共同工作所构成的结构体系。目前国内外对这类结构体系的抗震性能仍存在很大争议，因此混合结构在罕遇地震作用下的工作性能一直是学术界和工程界关注的热点问题之一。以往，我国研究者对这类结构的抗震性能进行了５］采用地震反应的能量分析较为深入的研究，如文献［方法对钢－混凝土混合结构在地震作用下的地震反应进行全过程分析，研究了各地震动参数的影响规律；文献［６］采用ＣＡＮＮＹ０９软件对某超限钢管混凝土框架－混凝土核心筒混合结构进行了弹塑性分析，提出相关７］介绍一种采用通用有限元程序的设计建议；文献［
振动与冲击第３１卷第１４期ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＮＤＳＨＯＣＫＶｏｌ．３１Ｎｏ．１４２０１２

超高层钢框架－钢筋混凝土核心筒结构弹塑性时程分析
，２，３尧国皇１，王卫华１，郭明２
（１．清华大学土木工程系，北京１０００８４；２．深圳市市政设计研究Байду номын сангаас有限公司，深圳５１８０２９；３．华侨大学土木工程学院，厦门３６１０２１）
摘要：基于合理的材料弹塑性（损伤）本构关系模型，利用通用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ建立了超高层钢框架－钢
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｒａｔｉｏｎａｌｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｏｆｓｔｅｅｌａｎｄｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｔｈｅＦＥＭｐａｃｋａｇｅＡＢＡＱＵＳｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｆｉｎｅＦＥＭｍｏｄｅｌｏｆｓｕｐｅｒｒｉｓｅｓｔｅｅｌｆｒａｍｅＲ．Ｃ．ｃｏｒｅｗａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｄａｍａｇｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙａｎｄｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙｅｌａｓｔｉｃｐｌａｓｔｉｃｔｉｍｅｈｉｓｔｏｒｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｎｄｅｒｒａｒｅｌｙｍｅｔｅａｒｔｈｑｕａｋｅｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｏｒｅｗａｌｌａｎｄｆｌｏｏｒｓｌａｂ，ｖｅｒｔｅｘｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｔｉｍｅｈｉｓｔｏｒｙｃｕｒｖｅｓ，ｂａｓａｌｓｈｅａｒｔｉｍｅｈｉｓｔｏｒｙｃｕｒｖｅｓ，ａｎｄｆｌｏｏｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｇｌｅｅｎｖｅｌｏｐｅｃｕｒｖｅｓａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｅｎｅｒｇｙｒｅｓｐｏｎｓｅｌａｗｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｅｒｅａｔｔａｉｎｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄａｍａｇｅｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｅｘｉｓｔｓｉｎｔｈｅｂｏｔｔｏｍｏｆｔｈｅｓｕｐｅｒｒｉｓｅｓｔｅｅｌｆｒａｍｅＲ．Ｃ．ｃｏｒｅｗａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄａｄｄｉｔｉｏｎａｌｐｒｏｆｉｌｅｓｔｅｅｌｓａｎｄｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｂａｒｓｗｅｒｅｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｏｂｅｓｅｔｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｗｏｒｋａｂｌｅａｂｉｌｉｔｙｕｎｄｅｒｒａｒｅｌｙｍｅｔｅａｒｔｈｑｕａｋｅ．Ｉｔｃａｎａｌｓｏｂｅｓｅｅｎｔｈａｔｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｐｌａｓｔｉｃｔｉｍｅｈｉｓｔｏｒｙａｎａｌｙｓｉｓｃａｎｒｅｖｅａｌｔｈｅｂｅｈａｖｉｏｕｒｓｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｙｓｔｅｍｕｎｄｅｒｒａｒｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅ，ａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｍｅｎｔｉｏｎｅｄｍａｙｇｉｖｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒｒｉｓｅ；ｓｔｅｅｌｆｒａｍｅｃｏｒｅｗａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｅｌａｓｔｉｃｐｌａｓｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｉｍｅｈｉｓｔｏｒｙａｎａｌｙｓｉｓ；ＦＥＭａｎａｌｙｓｉｓ长期以来我国超高层建筑传统地采用钢筋混凝土结构体系，而钢－混凝土混合结构在我国超高层建筑中应用只是近十年才兴起的
基金项目：国家自然科学基金委－青年科学基金资助项目（５１００８１７１）收稿日期：２０１１－０６－２７修改稿收到日期：２０１１－０８－０３第一作者尧国皇男，博士后，高级工程师，１９８０年生通讯作者王卫华男，博士后，讲师，１９８０年生
１－１５层８００× ４０１６－３０层７００× ３０３１－４０层６００× ３０
１弹塑性分析方法介绍
与弹性时程分析建模相比，动力弹塑性时程分析模型建模主要分两个方面：几何模拟和材料模拟。几何模拟主要考虑几何非线性，如二阶效应等问题；而材料模拟则主要考虑进入弹塑性阶段后材料的非线性性能，具体如下：（１）几何非线性：结构的动力平衡方程建立在结构变形后的几何状态上，结构二阶“ Ｐ－ ”效应和大变 Δ 形效应都被考虑；２）材料非线性：直接采用材料本构关系，真实反（映材料在反复地震作用下的受力与损伤情况，可以有效模拟构件的弹塑性发生、发展以及破坏的全过程；３）动力方程积分方法：直接将地震波输入计算（模型进行弹塑性时程分析，可以较好地反映在不同相位差情况下构件的内力反应和楼板、核心筒的反复拉压受力状态。（４）采用ＡＢＡＱＵＳ软件中显式积分方法，适用于求解复杂的非线性动力学问题，可以准确模拟结构的弹塑性工作特性。
（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈｅｎｚｈｅｎＭｕｎｉｃｉｐａｌＤｅｓｉｇｎ＆ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ５１８０２９，Ｃｈｉｎａ；３．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＨｕａｑｉａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ３６１０２１，Ｃｈｉｎａ）
图１结构平面布置图Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐｌａｎｌａｙｏｕｔ表１计算模型参数Ｔａｂ．１Ｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｍｏｄｅｌ外框层数架柱ＧＺ／ｍｍ
。钢－混凝土混合结构
体系融合了钢结构体系和混凝土结构体系的优点，承载力高、延性好、变形能力强，从而具有较强的抗风和抗震能力，并且具有较好的综合经济效益
［１－２］
。文献
３］给出了混合结构体系的定义，文献［４］则对《高规》［中混合结构体系的范围作了扩展：混合结构指钢框架