第12卷 第2期 2013焦 广州大学学报(自然科学版) Journal of Guangzhou University(Natural Science Edition) Vol_l2 No.2 Apr. 2013 4月 文章编号:167l一4229(2013)02-0049—07 基于构件损伤的某超限剪力墙结构抗震性能评估 陈亮星,吴 轶 ,张春梅,陆祝贤,张俊文,黄照棉 (广州大学土木工程学院,广东广州510006) 摘要:采用大型有限元软件ABAQUS对某超限剪力墙结构进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析.提 出了对应不同性能要求评定构件损伤的损伤指标,从结构整体地震响应与主要受力构件的损伤破坏层面上,对 该超限剪力墙结构开展抗震性能评估.结果表明:在不同罕遇地震动作用下,结构各楼层最大层间位移角为1/ 154,小于规范限值,结构整体变形满足预期的性能目标;根据构件破坏状态评估可知,强震下结构部分剪力墙, 连梁和框架梁发生了轻微损伤破坏,达到了预期制定的构件性能目标. 关键词:高层剪力墙结构;罕遇地震;弹塑性时程分析;抗震性能评估 中图分类号:TU 375.4 文献标志码:A 于平面凹凸不规则,采用Abaqus有限元分析软件 0 引 言 近年来,随着工业化、商业化、城市化的进程, 城市人口剧增,造成城市生产和生活用房紧张,迫 使建筑物向高空发展,由多层发展为高层¨ .剪力 墙结构整体性好,侧向刚度大,在高层建筑中广泛 对结构进行动力弹塑性时程分析,研究高度、高宽 比超限对结构抗震性能的影响,主要考察在罕遇 地震作用下结构最大顶点位移、最大层间位移角 以及最大基底剪力和主要构件的塑性损伤情况, 评估结构是否达到预期的抗震性能目标 j. 应用.根据最新实施的《建筑抗震设计规范》 和 《高层建筑混凝土结构技术规程》 中新增加的结 构抗震性能设计内容,明确地给出了抗震性能目 标与抗震性能水准,提出对于超限结构可进行抗 震性能设计,找出结构可能出现的薄弱部位与确 定结构的不规则程度,以便对结构薄弱部位进行 加强,达到预期的性能目标.《高层建筑混凝土结 构技术规程》第5.1.13条规定:对于B级高度的 高层建筑结构和复杂高层建筑结构宜采用弹塑性 静力或动力分析方法验算薄弱层的弹塑性变形. 图1 某超限剪力墙结构模型 Fig.1 Picture of overrun shear wall structure 在此背景下,本文对某工程一座超限剪力墙 高层建筑结构(图1)进行动力弹塑性时程分析及 抗震性能评估 J.该结构高宽比较大(约为 10.1),且标准层平面中问部分有较大的凸出,属 收稿日期:2012—10—10;修回日期:2012—10—25 1 工程概况 该超限剪力墙高层建筑结构总高度为162 m, 基金项目:国家自然科学基金青年基金资助项目(51108104);广东省自然科学基金资助项目(8151009101000010,8451064101000286) 亚热带建筑科学国家重点实验室资助项目(X2TJ—C709025z);亚热带建筑科学国家重点实验室自主研究课题(2011ZC25 2011ZC28);亚热带建筑科学国家重点实验室开放课题(2012KB06),广州市科技计划资助项目(12C42011656) 作者简介:陈亮星(1986一),男,硕士研究生.E—mail:Shiningxy@126.COB. 通信作者.E—mail:wya2103@163.con1. 广州大学学报(自然科学版) 第12卷 共53层.结构平面长为33.3 m,宽为16.1 in,结构 高宽比为10.1,工程设计使用年限为50 a,抗震 设防烈度为6度,设计基本地震加速度0.05 g,地 震分组为第一组,场地类别为二类场地,场地特征 周期Tg=0.40 s,抗震设防类别为丙类,结构安全 拉压塑性损伤,但主承重墙肢混凝土主压应变大 于混凝土极限压应变的区域不应超过其截面高度 的1/3,剪力墙边缘构件内的钢筋在底部加强区 不应出现塑性应变,其余部分允许出现塑性应变, 但最大塑性应变应小于钢筋极限拉应变(0.025); ③允许部分连梁出现拉压塑性损伤,但其主压 (拉)应变大于混凝土极限压(拉)应变的区域不 应超过截面高度的1/2. 等级为二级.结构平面布置见图2,结构典型构件 截面尺寸见表1.结构抗震性能目标如下:①结构 最大层间位移角小于规范限值1/120;②底部加强 区剪力墙受弯、受剪不屈服,允许部分剪力墙出现 10-l 10-2 l0-4 lo-7 10-8 10-l0 1 1l l0-l5 10-l7 l0-18 3 300 4 300 2400 2 500 7 500 2 700 2 400 2 800 3 000 2 100 单位:Ⅱ 一80n ] 『 r r’ 10.F/1 —、—\’。 l ■U 10.11轴 L l n一 ~—-_l 厂——] | l -、l -1_ / \_ ’ 8 8 一 ‘ 二、I ● ● ——- 1 .■…n i 1一 g I一 莩 ) 二二】 L/^o一2轴 _厂、 一_ 一● — l . l l ‘ ● L. 。 n 8 g __ —・ 鲁: 1 H1j 丑 景 一8∞ 3 300 lO.1 ;轴 —— n 星 N L — - ———— 。。—— _ 1 _『_ ● L I 3 700 3 800 l 1] 3 300 l 20q Ⅱ40( 3 600 3 500 謇 ∞ 1O 6轴 3 600 I 40( l1 20 qI 3 300 10.3 10—5 10—6 lO.8 1O.2 1O.9 1O.10 图2结构平面布置图 Fig.2 Plan layout of structure 表1 结构典型剪力墙截面尺寸及配筋 Table 1 The cross section size and reinforcement of shear wall 拟,梁柱采用基于纤维模型的杆系单元模拟.剪力 墙混凝土本构采用ABAQUS提供的损伤塑性模 型,该模型为连续的基于塑性的混凝土损伤模型, 假设混凝土材料主要因拉伸开裂和压缩破碎而破 坏,混凝土损伤塑性模型的屈服曲面由拉伸和压 缩等效塑性应变来控制.钢筋本构采用双线性随 动硬化模型,通过rebar—layer嵌入壳单元中.杆件 单元本构采用由清华大学土木工程系结构工程研 究所开发的PQ—Fiber V1.6杆系结构的材料本构 集合 . 混凝土塑性损伤模型 假定损伤后弹性模量 2 结构模型的建立与分析 采用ABAQUS软件建立结构有限元模型,并 且进行结构动力特性对比分析与非线性动力时程 可以表示为无损伤弹性模量与损伤因子d的关系 为E=(1一d)E。,式中E。为材料的初始(无损)弹 性模量.混凝土的损伤因子d表示其弹性模量的 退化,如某一时刻混凝土的损伤因子为0.4,即表 示混凝土的弹性模量退化为其初始弹性模量的 60%.参照过镇海《钢筋混凝土原理和分析》 ],以 分析.在有限元模型中,剪力墙采用ABAQUS的弹 塑性壳单元(S4R)模拟,楼板采用弹性壳单元模 第2期 陈亮星等:基于构件损伤的某超限剪力墙结构抗震性能评估 51 混凝土的峰值压应变 来划分混凝土受压各个 破坏状态(表2).混凝土应力一应变曲线与损伤 , 2.1 结构动力特性及其弹塑性时程结果分析 为了计算结构的动力特性,本文利用Satwe、 因子刚度退化对比见图3. 表2混凝土受压破坏状态 Table 2 The destruction state of compressed concrete 1.2 1.O : f ., \ O 8 0 6 : |。 0.4 。.O.2 j’ 『 O.0 2 3 4 5 6 图3混凝土受压应力一应变曲线 Fig.3 The curves of stress—strain of concrete 由于Y方向是结构的弱轴方向,因此本文主 要给出当地震动沿Y向作用时结构的动力反应分 析,并选取结构地震响应最大的地震动沿结构x 向、同时沿结构x向和Y向作用进行地震响应分 析.进行水平双向地震响应分析的地震动以Y向 为主方向,x向为次方向,主次方向的峰值加速度 比值为1:O.85.经过对多条天然波进行频谱分析, 并且根据《建筑工程抗震性态设计通则》 、结构 自振周期和场地土类别选取震级较大、震中距较 小的2条天然波(源自PEER Ground Motion Data— base)和1条安评报告提供的地震波(安评波)进 行动力时程分析,除安评波持时为30 S外,其它地 震波持时均为20 S,峰值加速度为145 ga1.表3给 出2条天然波的具体参数. 表3分析中采用的天然波参数 Table 3 The parameters of natural earthquake waves in the a— nalysis Etabs和Abaqus对其进行了模态对比分析.表4分 别给出了采用Satwe、Etabs和Abaqus分析得到结 构前1O阶周期的对比. 表4不同软件结构动力特性分析对比 Table 4 The contrast of sturcture dynamic analysis with dif- ferent softwarcs 由于篇幅有限,在此仅给出地震动沿结构Y 向作用时结构地震响应时程曲线.图4、图5和图 6分别给出在不同地震动沿Y向作用下结构顶点 位移时程曲线、最大层间位移角曲线和基底剪力 时程曲线.表5给出了结构在不同地震波作用下 结构地震响应结果对比.由图表可知,在不同地震 波作用下,结构最大顶点位移为759 mm,结构基 本上保持直立;最大基底剪力为50 289 kN,结构 最大层间位移角为1/154,出现在结构的上部楼 层,小于规范限值1/120,满足“大震不倒”的设防 水准要求. 若把结构等效成一个多质点的体系,结构的 基底剪力等于多个质点承受惯性力的代数和.当 结构的自振周期较大时,在长周期地震动作用下, 结构高阶振型容易激励出来¨ ,使得结构各个质 点在某一时刻的加速度方向不一定相同,这就导 致了结构质点惯性力叠加的时候出现相互抵消的 情况,基底剪力也就随之减小.通过对分析中使用 的3个地震波可知,E1-Centro波低频成份较丰富 且卓越周期位于低频带.因此,在E1.Centro波作 用,结构的地震响应最大,但基底剪力却较小. 2.2结构剪力墙的应力状态与损伤状况分析 本文仅给出结构在E1.Centro波(结构在E1. Centro波作用下地震响应大于其它工况)沿Y向 作用时,结构剪力墙的主拉和主压应力图和损伤 52 广州大学学报(自然科学版) 第12卷 I I 登 \ 一.: 八 ,、 八.厂、厂、/ V V \/7 \『 R寸I-甘1/ - 时I' ̄/s (a) (b) (c) 图4不同地震波沿Y向作用(145 ga1)下结构顶点时程曲线 Fig.4 The time history curves of vertex displacement under diferent seismic waves along direction Y ∞ 0如 ∞∞ l0 0.000 0.002 0 004 0 006 0008 0 01O 层问位移角/。 层间位移角/。 (b) 层问位移角/。 (a) (c) 图5不同地震波沿Y向作用(145 ga1)下结构最大层间位移角曲线 Fig.5 The maxiumn inter—story drift angle CUlWeS under different seismic waves along direction Y 40 000 30 000 20 000 40 000 30 000 20 000 10 000 60 o0O 40 ooO 20 000 O 蚕 10 000 霎 糊 O -O 10 000 一10 000 20 000 40 000 20 000 -20 000 30 000 -30000 -.40 000 .60 000 (a) (b) (c) 图6不同地震波沿Y向作用(145 ga1)下结构基底剪力时程曲线 Fig.6 The time history curves of base shear under different seismic waves along direction Y 表5不同地震波作用(145 ga1)下结构地震响应 结果对比 状况图.图7给出了结构在E1.Centre波沿Y向作 用下,主拉应力和主压应力较大的10.1轴和10.13 轴剪力墙的应力状态图,图8给出了结构在E1. Table 5 Comparison of earthquake response of the structure under different seismic waves Centre波沿Y向作用下,结构受压损伤较大的10. F/1轴剪力墙混凝土受压损伤图.对应轴号见图 2.由图可知,结构剪力墙中的钢筋没有发生屈服, 主拉应力和主压应力自上而下有逐渐增大的趋 势;结构剪力墙的混凝土受压损伤因子为0.7,混 凝土受压损伤的区域仅为剪力墙截面高度的 1/20,达到了构件性能目标. 第2期 陈亮星等:基于构件损伤的某超限剪力墙结构抗震性能评估 55 displacement[J].Earth Eng Eng Vib,2009,29(6):108一l14. [7] 曲哲.摇摆墙一框架结构抗震损伤机制控制及设计方法研究[D].北京:清华大学,2010:7-10. QU Z.Seismic damage mechanism control and design method of rocking wall frame structure[D].Beijing:Tsinghua Universi— ty,2010:7—10. [8]江见鲸,陆新征,叶列平.混凝土结构有限元分析[M].北京:清华大学出版社,2003:225.233. JIANG JJ,LU X Z,YE L P.Concrete structure finite element analysis[M].Beijing:Tsinghua University Press,2003:225— 233. [9]过镇海,时旭东.钢筋混凝土原理和分析[M].北京:清华大学出版社,2003. GUO Z H,SHI X D.The principle and analysis of reinforced concrete[M].Beijing:Tsinghua University Press,2003. [10]CECS160:2004建筑工程抗震性态设计通则[s]. CECS160:2004 General rule for performance—based seismic design of buildings[S]. 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Component damage-based seismic performances evaluation of a shear wall structure CHEN Liang—xing,WU Yi,ZHANG Chun—rnei,LU Zhu-xian,ZHANG Jun—wen,HUANG Zhao—rnian (School of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China) Abstract:Dynamic elastic—plastic time history analysis of a high-rise shear wall building under strong ground motion was carried out by employing the finite element software ABAQUS.The damage index corresponding to different performance requirements was proposed.And based on seismic responses of the integral structure and damages of the structural components,seismic performances of the high-rise shear wall building were evaluated Results show that the maximum inter—story drift angle of the building is 1/154,less than the limit defined in the specification.For the structural components,slight damage can be found partly in shear walls,coupling beams and flame beams under strong ground motions.In general,for integral deformations and component’S damages, the seismic performance objective can be met. Key words:high—rise shear wall structure;rare earthquake;elastic—plastic time・history analysis;seismic per- ormance evalfuation 【责任编辑:刘少华】