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筱倪翠
5 years ago
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212/3/17 PERFORM-3D 在超限高层建筑结构抗震分析中的应用工程实例一 : 工程实例二 : 工程实例三 : 主讲 : 陈学伟华南理工大学土木与交通学院博士研究生高层建筑结构研究所 PERFORM-3D 的软件简介 PERFORM-3D(Nonlinear Analysis and Peroformance Assessment for 3D Structure)

1 212/3/17 PERFORM-3D 在超限高层建筑结构抗震分析中的应用工程实例一 : 工程实例二 : 工程实例三 : 主讲 : 陈学伟华南理工大学土木与交通学院博士研究生高层建筑结构研究所 PERFORM-3D 的软件简介 PERFORM-3D(Nonlinear Analysis and Peroformance Assessment for 3D Structure) 三维结构非线性分析与性能评估软件, 它的前身为美国加州大学 Berkeley 分校的 Prof Granham H Powell 开发的 Drain-2DX 和 Drain-3DX, 是一个致力于研究抗震设计的非线性软件工具通过使用以变形为基础或者以强度为基础的极限状态来对复杂结构进行非线性分析, 其中包括错综布置的剪力墙结构 PERFORM-3D 为用户提供了一个复杂地震工程工具来进行静力弹塑性 Pushover 分析和动力弹塑性时程分析 G.H. Powell PERFORM-3D 的单元模型梁柱单元模型 PERFORM-3D 提供多种梁柱单元模型, 包括塑性铰模型及纤维模型本文工程实例梁柱均采用纤维模型纤维模型梁柱单元有以下特点 : 基于平截面假定, 将梁柱的内力 - 变形关系转化成混凝土与钢筋的应力 - 应变关系 ; 铁木辛柯梁单元, 可考虑剪切变形 ; 自由的纤维划分输入方式, 可以输入约束混凝土及非约束混凝土纤维, 可以输入复杂组合截面, 梁柱纤维截面如图所示 ; 顶部钢筋非约束混凝土约束混凝土底部钢筋非约束混凝土约束混凝土纵向钢筋约束混凝土端部区配筋非约束混凝土非端部区配筋 PERFORM-3D 的单元模型梁柱单元模型 PERFORM-3D 的梁柱构件提供构件的截面组装功能, 这个功能可以使不增加自由度的情况下增加梁柱单元的延长度方向的积分点数, 提高计算精度与效率基于不同的构件组装, 梁柱单元分为两种模型, 端部塑性区模型及多段塑性区模型, 如图 2 所示模型合理的单元划分, 采用端部塑性区模型可保证精度的前提下节约计算时间对于受剪力较大的梁构件, 在截面组装时可以加入剪切铰模拟梁的非线性剪切变形及剪切破坏 PERFORM-3D 的单元模型分层剪力墙模型 PERFORM-3D 中采用宏观分层单元来模拟剪力墙构件, 一维纤维单元模拟剪力墙的平面内压弯效应, 非线性或线性剪切本构模拟剪力墙的平面内剪切效应, 平面外弯曲平面外剪切及扭转效应均采用弹性本构模拟剪力墙的特点是在纤维截面定义时可以采用约束混凝土与非约束混凝土纤维来模拟端部约束区与非端部约束区剪力墙与梁的刚接是采用刚臂连接, 如图所示 1

212/3/17 PERFORM-3D 的材料本构钢筋材料本构 PERFORM-3D 的钢材本构分为屈曲钢材本构及非屈曲钢材本构钢筋一般采用非屈曲钢材本构,

混凝土材料本构目前在宏观模型中最为常用的约束混凝土的单轴受压应力应变关系是 Mander 应力应变关系该模型的混凝土应力应变关系由 5 个参数确定, 与截面形状和箍筋的配置有关根据 Mander 模型的公式

PERFORM-3D 转件虽然分析功能强大, 但是从科研性软件过渡而来, 前处理输入模型非常烦琐, 例如建立纤维截面, 需要手动输入各纤维束的材料编号面积截面相对坐标值等

能够导入结构设计软件 ETABS 模型的几何信息荷载信息结点质量截面信息刚性隔板信息及支座条件前处理程序界面如图所示 PERFORM-3D 前处理系统软件界面 PERFORM-3D 的建模方法 PERFORM-3D

59, 梁柱构件类型数为 456, 剪力墙构件类型数为 59, 梁单元数为 921, 柱单元数为 956, 剪力墙单元数为 4171 PERFORM-3D 的建模方法结构弹塑性分析之前进行竖向荷载标准组合工况分析竖向荷载采用

2 212/3/17 PERFORM-3D 的材料本构钢筋材料本构 PERFORM-3D 的钢材本构分为屈曲钢材本构及非屈曲钢材本构钢筋一般采用非屈曲钢材本构, 因为结构的延性设计主要是建立在结构钢筋经历反复的大塑性应变依然能够维持较高的应力水平基础上的, 并要求钢筋通常不会发生拉断等脆性破坏本文采用受力钢筋主要为 HRB4, 钢筋本构取值如图所示 PERFORM-3D 的材料本构混凝土材料本构目前在宏观模型中最为常用的约束混凝土的单轴受压应力应变关系是 Mander 应力应变关系该模型的混凝土应力应变关系由 5 个参数确定, 与截面形状和箍筋的配置有关根据 Mander 模型的公式混凝土材料强度平均值及弹性模量值, 可计算得到本工程所采用不同箍筋约束情况下的混凝土材料本构曲线, 如图所示 PERFORM-3D 的建模方法 PERFORM-3D 前处理系统 ETP v1. PERFORM-3D 转件虽然分析功能强大, 但是从科研性软件过渡而来, 前处理输入模型非常烦琐, 例如建立纤维截面, 需要手动输入各纤维束的材料编号面积截面相对坐标值等面向构件数量及带配筋信息的截面的数量非常巨大的复杂高层结构, 运用该建模方法是非常困难的因此本文开发了具有输入配筋的图形界面的 PERFORM-3D 软件前处理程序 ETP(ETABS TO PERFORM- 3D), 能够导入结构设计软件 ETABS 模型的几何信息荷载信息结点质量截面信息刚性隔板信息及支座条件前处理程序界面如图所示 PERFORM-3D 前处理系统软件界面 PERFORM-3D 的建模方法 PERFORM-3D 梁柱纤维截面划分 PERFORM-3D 剪力墙截面与配筋定义 PERFORM-3D 的建模方法结构的 PERFORM-3D 模型的总结点数为 7453, 梁纤维截面数为 422, 柱纤维截面数为 5, 剪力墙纤维截面数为 59, 梁柱构件类型数为 456, 剪力墙构件类型数为 59, 梁单元数为 921, 柱单元数为 956, 剪力墙单元数为 4171 PERFORM-3D 的建模方法结构弹塑性分析之前进行竖向荷载标准组合工况分析竖向荷载采用 ETABS 导入的竖向荷载施加由于建立的是非线性模型, 竖向荷载分析需要采用荷载控制的静力弹塑性分析该分析结果作为时程分析的初始状态并在时程分析中考虑 P- 效应结构阻尼采用瑞利阻尼, 第一及第二振型的阻尼比为.5 计算步长为.2s, 总时间为 2s, 分析子步为 2 步, 分 7 组地震波共 14 个工况进行时程分析 PERFORM-3D 地震工况设置导入 PERFORM-3D 后结构模型三维图 2

212/3/17 工程实例一 : 工程实例二 : 工程实例三 : 天朗海峰国际中心为集商业住宅为一体的多功能建筑包含裙楼以及两座主楼, 其中裙楼为商业功能, 地上四层, 占地地面 4597 m2; 两栋主楼为商住楼, 地上 58 层, 各主楼占地面积 727.

1g, 地震分组为第一组, 抗震设防类别为丙类, 结构安全等级为二级, 场地特征周期 Tg =.45s (a) 效果图 (b)etabs 模型图结构采用现浇钢筋混凝土部分框支剪力墙结构, 其中中部核心筒剪力墙及四周角部剪力墙直接落地, 部分剪力墙在转换层通过梁式转换结构转换为框支柱满跨转换梁采用普通钢筋混凝土梁, 因塔楼剪力墙窗洞而形成的非满跨转换梁采用型钢混凝土梁结构高度 182.

各地震波主波反应谱曲线与规范反应谱曲线对比如图所示地震影响系数.9 GM1_ 人工波.75 GM2_ 人工波 GM3_San Fernando 8244 Origon Blvd.6 GM4_Hollywood Strorage P.E. GM5_Bonds Corner EI Centro.

3 212/3/17 工程实例一 : 工程实例二 : 工程实例三 : 天朗海峰国际中心为集商业住宅为一体的多功能建筑包含裙楼以及两座主楼, 其中裙楼为商业功能, 地上四层, 占地地面 4597 m2; 两栋主楼为商住楼, 地上 58 层, 各主楼占地面积 m2; 该结构拥有三层地下室, 占地面积 11 m2 整座建筑利用功能形体组成一种海中灯塔的综合体塔体顶部有明确简洁的收头造型, 商业空间形成一种沉实的基座, 有遨游于海洋的暗示, 总体形象干净简练含而不露, 具有内在的自信格调 ; 建成后将成为珠海的地标之一工程设计基准期为 5 年, 抗震设防烈度为 7 度, 设计基本地震加速度值为.1g, 地震分组为第一组, 抗震设防类别为丙类, 结构安全等级为二级, 场地特征周期 Tg =.45s (a) 效果图 (b)etabs 模型图结构采用现浇钢筋混凝土部分框支剪力墙结构, 其中中部核心筒剪力墙及四周角部剪力墙直接落地, 部分剪力墙在转换层通过梁式转换结构转换为框支柱满跨转换梁采用普通钢筋混凝土梁, 因塔楼剪力墙窗洞而形成的非满跨转换梁采用型钢混凝土梁结构高度 182.5m, 结构平面布置如图所示弹塑性时程分析选取了 2 组人工波及 5 组天然波建立结构 ETABS 弹性模型, 采用 2 组双向天然波样本进行试算, 将 4 个地震工况的基底剪力与反应谱的基底剪力进行对比, 挑选出满足我国建筑抗震设计规范 (GB511-21) 的要求, 即单个时程分析计算基底剪力结果应大于反应谱法结果的 65%, 时程分析的基底剪力结果的平均值应大于反应谱法结果的 8% 各地震波主波反应谱曲线与规范反应谱曲线对比如图所示地震影响系数.9 GM1_ 人工波.75 GM2_ 人工波 GM3_San Fernando 8244 Origon Blvd.6 GM4_Hollywood Strorage P.E. GM5_Bonds Corner EI Centro.45 GM6_Taft Lincoln School GM7_Loma Prieta Oackland Outer Wharf.3 规范反应谱平均值周期 T(s) 结构的 PERFORM-3D 模型的总结点数为 7453, 梁纤维截面数为 422, 柱纤维截面数为 5, 剪力墙纤维截面数为 59, 梁柱构件类型数为 456, 剪力墙构件类型数为 59, 梁单元数为 921, 柱单元数为 956, 剪力墙单元数为 4171 导入 PERFORM-3D 后结构模型三维图 (a)t=.s (b)t=6.92s (c)t=1.28s (d)t=14.76s (e)t=17.48s (f)t=19.44s 图 GM3X 工况下结构变形响应全过程 3

212/3/17 为了比较结构的塑性变形, 建立弹性模型 ( 采用 ETABS 分析 ) 与弹塑性模型在同样的地震作用下的响应进行对比, 结构整体反应时程曲线如图所示从图中可见, 在 x 主向地震作用下的前 7 秒, 弹塑性分析的顶点位移时程与倾覆弯矩曲线形状与弹性分析基本一致, 表明结构处于弹性状态 ; 地震作用 7 秒以后, 弹塑性分析的顶点位移曲线与倾覆弯矩曲线与弹性分析的曲线分离,

2.4.6 层间位移角 (rad) STORY X 主向层间剪力曲线图时程分析法平均值最大值 43787kN 6 GM1X GM2X 5 GM3X GM4X GM5X 4 GM6X GM7X 3 2 1 2 4 6 层间剪力 (kn) STORY Y 主向层间剪力曲线图时程分析法平均值最大值 49717kN 6 GM1Y GM2Y 5 GM3Y GM4Y GM5Y GM6Y 4 GM7Y 3 2

4 212/3/17 为了比较结构的塑性变形, 建立弹性模型 ( 采用 ETABS 分析 ) 与弹塑性模型在同样的地震作用下的响应进行对比, 结构整体反应时程曲线如图所示从图中可见, 在 x 主向地震作用下的前 7 秒, 弹塑性分析的顶点位移时程与倾覆弯矩曲线形状与弹性分析基本一致, 表明结构处于弹性状态 ; 地震作用 7 秒以后, 弹塑性分析的顶点位移曲线与倾覆弯矩曲线与弹性分析的曲线分离, 表明结构发生明显的弹塑性损伤顶部位移 (mm) 基底倾覆弯矩 (knm) 弹塑性分析弹性分析 CQC 法 E+6 4.E+6.E+ -4.E+6 时间 t(s) STORY X 主向层间位移角曲线图时程分析法平均值最大值 1/ GM1X GM2X GM3X 2 GM4X GM5X GM6X 1 GM7X 层间位移角 (rad) STORY Y 主向层间位移角曲线图时程分析法平均值最大值 1/ GM1Y 3 GM2Y GM3Y 2 GM4Y GM5Y GM6Y 1 GM7Y 层间位移角 (rad) STORY X 主向层间剪力曲线图时程分析法平均值最大值 43787kN 6 GM1X GM2X 5 GM3X GM4X GM5X 4 GM6X GM7X 层间剪力 (kn) STORY Y 主向层间剪力曲线图时程分析法平均值最大值 49717kN 6 GM1Y GM2Y 5 GM3Y GM4Y GM5Y GM6Y 4 GM7Y 层间剪力 (kn) 弹塑性分析弹性分析 CQC 法 -8.E 时间 t(s) 从宏观变形及内力的响应对比来看, 结构在大震情况下, 并没有进入很强的非线性阶段 PERFORM-3D 自动计算结构能量耗散情况, 如图 14 所示能量耗散图也同样证明结构在 7 秒时逐渐进入弹塑性, 其非线性能量与模态耗能的比例可知, 结构处于弱非线性阶段能量 (J) 4.E+7 3.E+7 2.E+7 1.E+7.E+ 动能应变能模态阻尼能 αm 阻尼能 βk 阻尼能粘滞阻尼器阻尼能非线性耗能时间 (s) 根据美国规程 ASCE-41 对于基于性能的抗震设计方法关于构件变形性能指标限值的规定, 参考本工程构件的配筋构造及内力情况, 得到性能指标限值如表所示梁柱及剪力墙构件转角性能指标 GM3X 为例, 梁构件柱构件与剪力墙构件的变形性能如图所示从图中可见, 构件变形响应与整体响应一样表明结构处于弱非线性状态梁构件小部分处于 LS 及 CP 状态, 柱及剪力墙大部分构件处于 IO 状态构件的变形满足性能指标的要求小结 : 基于性能的设计方法的关键在于结构弹塑性分析方法, 而基于纤维模型的弹塑性时程分析方法是目前最可靠且效率高的方法之一 PERFORM-3D 软件能够建立结构弹塑性模型, 完成基于性能的抗震设计 ; PERFORM-3D 的科研性比较强, 输入实际工程结构比较烦琐, 通过对其进行 ETABS 导入及图形界面输入配筋的二次开发, 使其能运用于实际工程当中工程实例一 : 工程实例二 : 工程实例三 : PERFORM-3D 能提供大量的分析结果, 包括整体响应, 构件响应及能量耗散情况其中, 构件的转角变形测量结果与构件变形性能指标相对应, 可用于评估构件的变形性能及工作状态 4

212/3/17 为了满足观光门架的特殊造型要求以及保证结构使用的安全性和舒适度, 主塔楼采用带粘滞阻尼器的钢筋混凝土框架 - 剪力墙结构,12m 大跨度高空连廊采用带粘滞阻尼器的钢桁架结构,9m 长 ( 分两跨 36m 和 54m) 低空连廊采用钢桁架结构两边主塔楼顶部设置了劲性钢筋混凝土筒体因此结构在顶部出现刚度及承载力突变情况且由于主塔楼顶部设置劲性钢筋混凝土筒体及其大跨度钢桁架,

5m 高右塔楼带粘滞阻尼器的钢筋混凝土框架 - 剪力墙结构低空钢结构连廊粘滞阻尼器粘滞阻尼器观光门架属于特殊的超限高层, 国内针对此类结构的自振特性以及地震响应研究较少为了保证结构的承载力和正常使用, 在基于概念设计的基础上, 对结构提出了以下抗震加强措施 : (1) 左右塔楼结构平面布置图如图所示由于结构造型的特点, 两边的主塔楼必须承受大跨度高空连廊传来的巨大弯矩,

形墙肢, 有效保证结构整体抗扭刚度 SW 6 15x15 阻尼器内置钢骨柱 5x5x14 SW1 SW1 内置钢骨柱 5x5x14 阻尼器 6x12 SW6 6x1 15x15 1671 6x12 6x12 1 14x14 SW 8 内置钢骨柱 5x5x14 SW1 SW1 内置钢骨柱 5x5x14 (3) 高空钢桁架端部设置 2mm 钢筋混凝土楼板加强区, 双层双向配筋, 配筋率不少于.

5 212/3/17 为了满足观光门架的特殊造型要求以及保证结构使用的安全性和舒适度, 主塔楼采用带粘滞阻尼器的钢筋混凝土框架 - 剪力墙结构,12m 大跨度高空连廊采用带粘滞阻尼器的钢桁架结构,9m 长 ( 分两跨 36m 和 54m) 低空连廊采用钢桁架结构两边主塔楼顶部设置了劲性钢筋混凝土筒体因此结构在顶部出现刚度及承载力突变情况且由于主塔楼顶部设置劲性钢筋混凝土筒体及其大跨度钢桁架, 导致其与相应下一层发生质量突变结构左塔楼最大高宽比约 8., 结构右塔楼最大高宽比约 8.5, 均超出规范规定 A 级高度钢筋混凝土结构 5. 的要求粘滞阻尼器 12m 跨高空钢桁架连廊宽 1m, 高 9.5m 带粘滞阻尼器钢结构桁架 86.5m 高左塔楼带粘滞阻尼器的钢筋混凝土框架 - 剪力墙结构 86.5m 高右塔楼带粘滞阻尼器的钢筋混凝土框架 - 剪力墙结构低空钢结构连廊粘滞阻尼器粘滞阻尼器观光门架属于特殊的超限高层, 国内针对此类结构的自振特性以及地震响应研究较少为了保证结构的承载力和正常使用, 在基于概念设计的基础上, 对结构提出了以下抗震加强措施 : (1) 左右塔楼结构平面布置图如图所示由于结构造型的特点, 两边的主塔楼必须承受大跨度高空连廊传来的巨大弯矩, 为了保证弯矩能被有效均匀地传递给主塔楼, 在主塔楼与高空钢桁架交接处设置内置钢管框架的劲性钢筋混凝土筒体, 仅开启适量门洞满足建筑使用要求同时为保证塔楼顶部刚度及承载力的适当过渡, 劲性钢筋混凝土筒体设置至于高空钢桁架下弦交接处以下一层 ; 钢管框架设置至于钢筋混凝土筒体以下两层 (2) 为了保证结构具有良好的抗扭刚度, 主塔楼平面规则, 四周角部尽量全长设置墙厚为 6~8mm 的 L 形墙肢, 有效保证结构整体抗扭刚度 SW 6 15x15 阻尼器内置钢骨柱 5x5x14 SW1 SW1 内置钢骨柱 5x5x14 阻尼器 6x12 SW6 6x1 15x x12 6x x14 SW 8 内置钢骨柱 5x5x14 SW1 SW1 内置钢骨柱 5x5x14 (3) 高空钢桁架端部设置 2mm 钢筋混凝土楼板加强区, 双层双向配筋, 配筋率不少于.3%, 以保证高空钢桁架与主塔楼的可靠传力 (4) 由于高空桁架跨度达到 12m, 为了保证高空桁架在地震作用下的安全性, 在高空桁架顶面以及底面设置阻尼器, 以减少地震作用引起的振动及风振效应结构中设置 68 个 1t 级的粘滞阻尼器提高结构在地震作用下的性能水平阻尼器采用两种规格, 设置在高空桁架的阻尼器阻尼系数 C 取 25kN/(m/s)α, 阻尼指数 α 取为.4, 而设置在塔楼上的阻尼器 C 为 2 kn/(m/s)α,α 取.3 粘滞阻尼器 12m 跨高空钢桁架连廊粘滞阻尼器宽 1m, 高 9.5m 带粘滞阻尼器钢结构桁架粘滞阻尼器 86.5m 高右塔楼带粘滞阻尼器的钢筋混凝土框架 - 剪力墙结构 86.5m 高左塔楼带粘滞阻尼器的钢筋混凝土框架 - 剪力墙结构低空钢结构连廊针对结构超限以及不规则情况, 结构分析中采用了基于性能的抗震设计方法根据延性 ( 非延性 ) 构件的性能水平的阶段, 可把结构的性能水平分为以下 4 个阶段 : 充分运行阶段 ( 简称 OP) 基本运行阶段 (IO) 生命安全阶段 (LS) 接近倒塌阶段 (CP) 根据该工程结构各部位的重要程度, 分别设定了三水准下的抗震性能目标, 见表 1 可以看出, 由于顶部加强区落地剪力墙以及连廊钢桁架等构件的重要性, 其性能目标高于其他构件为确保抗震性能目标的实现, 采用不同软件进行了弹性和弹塑性分析依据美国规程 ASCE-41 中对于基于性能的抗震设计方法关于构件变形性能指标限值的规定, 参考本工程构件的配筋构造及内力情况, 得到主要构件变形性能指标限值如表 2 所示广义力 OP IO LS CP 广义位移广义力 OP IO LS CP 广义位移结构在小震及中震作用下, 通过承载力验算可知构件处于弹性工作状态, 因此其静力分析及动力分析均采用弹性模型采用 PKPM 系列的 27 年版 SATWE 和美国 CSI 公司的 ETABS 9.2. 中文版进行计算结构在大震作用下, 部分构件进入弹塑性工作状态, 因此计算软件采用基于纤维模型理论的结构弹塑性分析软件 PERFORM- 3D V4..3 为了解塔楼结构的抗侧能力, 对两个塔楼进行了静力弹塑性分析对整体结构进行动力弹塑性分析, 评估结构及构件是否满足性能指标为了验证阻尼器在各水准地震作用下的功效, 在动力分析中, 分别建立设置阻尼器与未设置阻尼器的模型进行分析对比各地震波主波反应谱曲线与规范反应谱曲.8 线对比如图所示由图中可见, 在场地卓.7 越周期 Tg=.35s 及结构自振周期 T1=2.46s.6 附近, 规范反应谱与地震波反应谱平均值.5 吻合程度高, 符合抗震规范对地震波选取的要求由于结构体型的特殊性, 其高空.4 桁架必须考虑竖向地震作用, 因此选取的.3 地震波均按三向地震输入地震波分别采.2 用了 (X 方向 ),9 度 (Y 方向 ),45, 等 4 个方向进行多角度地震输入, 以更好地考察结构的抗震性能地震影响系数 α GM1_ 人工波 GM3_Takatori GM5_Hollywood GM7_Taft 规范反应谱 GM2_ 人工波 GM4_EI Centro GM6_Loma Prieta 周期 T /s 5

212/3/17 静力弹塑性分析结果对两主塔楼分别进行静力弹塑性分析, 以定性把握塔楼结构的抗侧承载力性能推覆分析时, 不考虑阻尼器的贡献, 且两主塔楼均去除高空及低空钢桁架, 但在主塔楼顶部施加高空桁架传递至塔楼的竖向荷载推覆荷载分布采用倒三角分布模式, 分析后得到的顶部位移与基底剪力的曲线如图 17 所示通过对比分析可得,

力约为 981kN Vyield>Vr, 从宏观上表明右塔楼结构具有较好的结构抗侧承载力, 满足右塔楼结构在大震作用下的抗侧需求动力弹塑性时程分析主要研究结构在大震作用下的整体响应以及结构关键部位, 包括底部竖向构件以及顶部加强竖向构件的地震响应, 连梁破坏情况以及高空连廊的地震响应等综合分析超限情况对结构抗震性能的影响

地震波工况下左塔楼顶部位移如图 18(b) 所示从图中可见, 在地震作用下的前 6s, 弹塑性分析的顶点位移时程形状与弹性分析基本接近, 表明结构处于弹性状态 ; 地震作用 6s 以后, 弹塑性分析的顶点位移曲线与弹性分析的曲线分离, 表明结构发生比较大的弹塑性损伤从曲线形状分析可知, 随着时间的增加, 波峰间距逐渐变大,

框架柱的受弯受剪承载力分别满足性能目标对可屈服构件进行变形验算, 以 GM3Y 为例大震作用下结构的剪力墙肢的变形性能状态如图 (a) 所示, 由分析结果可以得到, 剪力墙受弯薄弱部位主要集中在主塔楼的底部左塔底层剪力墙抗弯变形处于 LS 状态,L 形墙肢处于 CP 状态为最簿弱部位剪力墙受弯变形性能基本处于大震有限屈服状态

6 212/3/17 静力弹塑性分析结果对两主塔楼分别进行静力弹塑性分析, 以定性把握塔楼结构的抗侧承载力性能推覆分析时, 不考虑阻尼器的贡献, 且两主塔楼均去除高空及低空钢桁架, 但在主塔楼顶部施加高空桁架传递至塔楼的竖向荷载推覆荷载分布采用倒三角分布模式, 分析后得到的顶部位移与基底剪力的曲线如图 17 所示通过对比分析可得, 左塔楼结构的屈服点的基底剪力 Vyield 约为 127kN, 大震弹性分析得到左塔楼结构的基底剪力 Vr 约为 131kN Vyield>Vr 从宏观上表明左塔楼结构具有较好的结构抗侧承载力, 满足左塔楼结构在大震作用下的抗侧需求右塔楼结构的屈服点的基底剪力 Vyield 约为 2kN, 大震弹性分析得到右塔楼结构的基底剪 Vr 力约为 981kN Vyield>Vr, 从宏观上表明右塔楼结构具有较好的结构抗侧承载力, 满足右塔楼结构在大震作用下的抗侧需求动力弹塑性时程分析主要研究结构在大震作用下的整体响应以及结构关键部位, 包括底部竖向构件以及顶部加强竖向构件的地震响应, 连梁破坏情况以及高空连廊的地震响应等综合分析超限情况对结构抗震性能的影响为了判断弹塑性分析结果的可靠性和比较结构的塑性变形, 建立弹性模型 ( 采用 ETABS 分析 ) 与弹塑性模型, 对共在相同地震作用下的响应进行对比 GM2Y 地震波工况下左塔楼顶部位移如图 (a) 所示从图中可见, 由于设置了粘滞阻尼器, 结构弹塑性分析的顶点位移形状与弹性分析基本接近, 表明结构未发生明显的弹塑性损伤 GM3Y 地震波工况下左塔楼顶部位移如图 18(b) 所示从图中可见, 在地震作用下的前 6s, 弹塑性分析的顶点位移时程形状与弹性分析基本接近, 表明结构处于弹性状态 ; 地震作用 6s 以后, 弹塑性分析的顶点位移曲线与弹性分析的曲线分离, 表明结构发生比较大的弹塑性损伤从曲线形状分析可知, 随着时间的增加, 波峰间距逐渐变大, 表明结构塑性损伤增加, 刚度下降引起结构周期变长大震作用下结构整体响应结果如表 8 所示设置了阻尼器后结构最大层间位移角为 1/398, 同时通过设置阻尼器与否的对比可知阻尼器对结构的抗震性能有着较显著的提高结构的大震响应满足规范要求同时通过提取构件在时程分析中的最大内力值, 可以验证顶部加强区以及非顶部加强区的墙肢以及连梁, 框架柱的受弯受剪承载力分别满足性能目标对可屈服构件进行变形验算, 以 GM3Y 为例大震作用下结构的剪力墙肢的变形性能状态如图 (a) 所示, 由分析结果可以得到, 剪力墙受弯薄弱部位主要集中在主塔楼的底部左塔底层剪力墙抗弯变形处于 LS 状态,L 形墙肢处于 CP 状态为最簿弱部位剪力墙受弯变形性能基本处于大震有限屈服状态框架柱基本处于 OP 状态, 与塔楼相接钢撑进入 LS 状态, 低空连廊的钢柱及钢撑进入 IO 状态, 如图 (b) 所示框架梁受弯薄弱部位主要集中在左塔楼中下部 3~12 层, 如图 (c) 框架梁受弯变形最大值接近 LS 状态限值框架梁受弯变形性能基本处于大震有限破坏状态可以看出可屈服构件的变形性能基本满足大震作用下设定的性能目标 OP IO LS CP 6

212/3/17 由分析结果可见, 结构顶部加强剪力墙区以及以下一层, 在大震作用下的地震响应均在设定的性能目标以内关键连接部位, 包括高空桁架与塔楼连接的楼板加强区, 塔楼受拉剪力墙肢的损伤程度在接受的范围之内高空钢桁架构件无应力超限, 钢桁架构件承载力均满足大震不屈服工况下的内力需求, 钢桁架构件处于大震不屈服状态钢桁架未出现失稳应力超限, 满足稳定性要求

7 212/3/17 由分析结果可见, 结构顶部加强剪力墙区以及以下一层, 在大震作用下的地震响应均在设定的性能目标以内关键连接部位, 包括高空桁架与塔楼连接的楼板加强区, 塔楼受拉剪力墙肢的损伤程度在接受的范围之内高空钢桁架构件无应力超限, 钢桁架构件承载力均满足大震不屈服工况下的内力需求, 钢桁架构件处于大震不屈服状态钢桁架未出现失稳应力超限, 满足稳定性要求在大震作用下结构的整体耗能情况 ( 以 GM3Y 为例 ) 如图所示 : 从图中可以看出未设置阻尼器时, 结构非线性耗能占总体耗能的 8.5%, 设置阻尼器后, 结构非线性耗能占总体耗能的 3.%, 阻尼器耗能占总体耗能的 23%, 显示阻尼器对提高结构减振的作用能量 / 1 1 J 能量 / 1 1 J 动能应变能模态阻尼能质量阻尼能刚度阻尼能阻尼器耗能非线性耗能时间 t /s 动能应变能模态阻尼能质量阻尼能刚度阻尼能阻尼器耗能非线性耗能时间 t /s 小结 : 通过多个有限元软件建立弹性模型对结构进行小震中震地震响应分析, 并通过基于纤维模型的 PERFORM-3D 软件对结构进行静力及动力弹塑性分析, 得到结构的地震响应以及构件的变形性能具体结论如下 : (1) 小震和中震的结构弹性分析可以看出, 结构层间位移角均满足规范要求竖向构件以及高空桁架满足承载力要求, 钢构件没有出现失稳状态, 通过中震弹性和中震不屈服的内力组合分析, 可以判定结构能够满足既定的性能目标 (2) 进行静力弹塑性分析, 得到的屈服基底剪力与整体结构大震弹性算得的基底剪力作对比, 表明塔楼结构具有很好的抗侧性能, 从宏观上反映塔楼满足结构大震的受力与变形需求 (3) 比较弹性分析以及弹塑性分析的计算结果发现, 弹塑性分析结果合理, 设置了粘滞阻尼器以后, 构件非线性损伤减小结合位移和内力的分析结果, 可以判断整体结构及构件满足既定的变形性能目标 (4) 在分析模型中通过设置阻尼器与未设置阻尼器的分析对比, 验证了设置阻尼器对结构抗震性能有着显著的提高效果工程实例一 : 工程实例二 : 工程实例三 : 广州盛德大厦超限高层建筑为一改建工程, 原结构设计为地下 2 层, 地上 32 层框架剪力墙结构, 已建至地上 4 层, 长宽约 36m 3m, 结构已建部分设计依据主要为国家 89 系列结构规范, 如图所示现在原已建结构的基础上进行新鉴定和改建设计, 为满足现行国家 2 系列结构规范使用要求, 改建方案为部分框支剪力墙结构体系, 结构设计年限 5 年, 长宽约 36m 3m, 主体结构地下 2 层, 地上裙房 6 层, 主楼 37 层, 于第 7 层通过梁式转换, 主塔楼结构高度为 119.m, 属于 B 类高度超高层建筑工程设计基准期为 5 年, 抗震设防烈度为 7 度, 设计基本地震加速度值为.1g, 地震分组为第一组, 场地类别为二类场地, 抗震设防类别为丙类, 结构安全等级为二级, 场地特征周期 Tg =.35s 根据抗规并参考地震安全性评价报告, 各阶段地震作用下分析参数如表所示地震影响系数 α GM1- 人工波 GM2- 人工波 GM3-Northridge GM4-EL Centro GM5-SanFemandoPocoimaDam GM6-LomaPrietaOacklandOuterWharf GM7-TaftLincolSchool 平均值规范反应谱周期 T /s 图 2 转换层结构布置图图 3 标准层结构布置图 7

212/3/17 考虑到结构的重要性, 采用美国 CSI 公司研究的抗震设计非线性软件 PERFORM-3D 进行弹塑性时程分析及推覆分析其工程分析结果得到广大工程界的认可, 但前后处理不适宜复杂的高层结构的建模, 笔者开发了 PERFORM-3D 复杂结构建模前处理程序 ETP V1.

条地震波, 分别按度 9 度进行双向弹塑性时程分析, 并以平均值结果进行结构抗震性能评估根据计算结果分析可知构件变形响应与整体响应一样表明结构处于弱非线性状态梁构件小部分处于 LS 及 CP 状态, 柱及剪力墙大部分构件处于 IO 状态, 如图 1 所示, 典型构件的变形满足性能指标的要求该结构在大震作用下仍处于弱非线性状态的原因是改建后方案对结构规定了更为严格的抗震性能指标,

5mm; 需求层间位移角 :1/22; 与需求点相对应的加载步 / 总加截步 : 2/1 基底剪力 /kn 7 6 5 4 3 2 1 5 1 15 2 25 顶部位移 /mm 能力曲线需求曲线楼层 4 36 32 28 24 2 16 12 8 4 X 主向楼层剪力曲线图时程分析平均值最大值 5975kN 推覆分析最大值 37398kN GM1 GM2 GM3 GM4 GM5 GM6 GM7

8 212/3/17 考虑到结构的重要性, 采用美国 CSI 公司研究的抗震设计非线性软件 PERFORM-3D 进行弹塑性时程分析及推覆分析其工程分析结果得到广大工程界的认可, 但前后处理不适宜复杂的高层结构的建模, 笔者开发了 PERFORM-3D 复杂结构建模前处理程序 ETP V1.1 程序 ETP 能够详细读取 ETABS 或 SAP2 程序的几何模型构件截面及弹性材料信息, 还能够提供图形界面实现很方便的输入梁柱及剪力墙的截面配筋与材料非线性设置, 再经过数据处理导入 PERFORM-3D 程序中, 从而实现复杂高层结构的非线性模型的建模 ETP 的界面如图所示为了真实考虑结构实配钢筋的影响, 整个弹塑性分析模型的钢筋按结构初步设计配筋进行输入本工程采用 7 条地震波, 分别按度 9 度进行双向弹塑性时程分析, 并以平均值结果进行结构抗震性能评估根据计算结果分析可知构件变形响应与整体响应一样表明结构处于弱非线性状态梁构件小部分处于 LS 及 CP 状态, 柱及剪力墙大部分构件处于 IO 状态, 如图 1 所示, 典型构件的变形满足性能指标的要求该结构在大震作用下仍处于弱非线性状态的原因是改建后方案对结构规定了更为严格的抗震性能指标, 并且对原已建部分根据现行规范进行了加强改造, 其配筋量可实现中震不屈服因此, 结构在 7 度烈度区的罕遇地震作用下, 不出现很明显的非线性变形, 处于弱非线性阶段基于该弹塑性分析模型, 在倒三角形荷载作用下进行了推覆分析作为弹塑性时程分析的参考, 结构 X 方向推覆能力谱验算结果如图 11 所示能力曲线与需求谱曲线的交点坐标 :387kN, 397.5mm; 需求层间位移角 :1/22; 与需求点相对应的加载步 / 总加截步 : 2/1 基底剪力 /kn 顶部位移 /mm 能力曲线需求曲线楼层 X 主向楼层剪力曲线图时程分析平均值最大值 5975kN 推覆分析最大值 37398kN GM1 GM2 GM3 GM4 GM5 GM6 GM7 平均值推覆值楼层 X 主向层间位移角曲线图时程分析平均值最大值 1/294 推覆分析最大值 1/214 分析结果表明大震作用下的结构变形性能满足需求谱需求, 结构达到大震作用下的抗倒塌性能目标 GM1 结构整体弹塑性时程分析及 GM2 推覆分析的部分计算指标对 GM3 比如图所示 GM4 上述两种分析结果的对比表 GM5 明结构在推覆分析和弹塑性 GM6 时程分析下的整体变化趋势 GM7 一致及对应数值相近, 即大平均值推覆值震作用下的结构整体弹塑性时程分析结果是可信的盛德大厦改建设计工程需用在原已建部分结构的基础上进行合理的改造并采取更为严格的抗震性能措施, 以满足改建方案在现行抗震规范下结构抗震能力要求通过该工程基于性能的抗震设计, 可以得以下结论 : (1) 小震结构弹性分析可以看出, 结构层间位移角等满足设定的性能要求并小于结构规范限值通过中震弹性和中震不屈服的内力组合对主要竖向和转换梁等构件分析, 可以判定结构能够满足既定的性能目标 (2) 通过大震作用下整体结构弹塑性时程分析与推覆分析结果对比, 可知结构整体的弹塑性时程分析结果是可信的 (3) 大震作用下结构构件变形图和层间位移角满足设定的相应性能目标以及从结构整体的推覆曲线最大值都可以看出, 结构具有很好的抗侧性能 (4) 合理改造与加固后的改建结构方案具有很好的抗震能力, 满足现行抗规要求 %.2%.4%.6%.8% 楼层剪力 /kn 层间位移角 /rad 8

9 212/3/17 工程实例一 : 工程实例二 : 工程实例三 : 总结 PERFORM-3D 为工程师提供了强大的结构非线性分析手段, 可以实现基于变形能力的性能设计 ; PERFORM-3D 提供了构件截面变形量测功能, 可以对构件的变形指标进行评估 ; 结合能量耗散图, 构件变形性能,PUSH-OVER 分析结果, 弹塑性与弹性时程曲线对比, 可以对弹塑性分析结果的合理进行判断 ; PUSH-OVER 分析有一定局限性, 但可以作为评估结构整体抗侧能力的方法 ; 通过输入实配钢筋量的纤维模型可以反映配筋加强部位的影响 ; PERFORM-3D 结合纤维模型理论, 将基于性能的抗震设计理论变成工程实践 ; 谢谢大家! 9

Microsoft PowerPoint - 陈学伟_博士论文ppt.ppt

Microsoft PowerPoint - 陈学伟_博士论文ppt.ppt 剪力墙结构构件变形指标的研究及计算平台开发 2008 级博士生 : 陈学伟指导老师 : 韩小雷教授华南理工大学土木与交通学院剪力墙结构构件变形指标的研究及计算平台开发主要内容第一章第二章第三章第四章绪论宏观单元理论研究及结构弹塑性分析平台 MESAP 的开发剪力墙宏观单元理论与单元开发修正斜压场单元理论与单元开发平台开发创新点第五章第六章第七章第八章剪力墙构件低周往复试验及数值分析受弯控制的剪力墙构件变形性能指标研究受剪控制的剪力墙构件变形性能指标研究连梁构件变形性能指标研究