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=E2(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 SRSS2.3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裙楼变形剖面图在7度多遇地震和7度基本地震作用模拟试验阶段后,主要显著变形发生在裙楼以及转换层(第5层)附近,观察发现外框的型钢柱基本没有发生形变,核心筒钢筋混凝土剪力墙根部仅有很小的形变,核心筒和型钢混凝土柱灾害间相互作用的伸臂桁架有屈曲的变形物征,形变较明显,说明结构其本处于弹性工作阶段,核心筒剪力墙根部出现少量裂缝;在7度罕遇模拟试验阶段,主梁和伸臂桁架的形变比较明显。
混凝土剪力墙根部还是有形变,说明模型也没有发生明显的破坏现象,但是局部构件变形继续增大、剪力墙的裂缝有增多的迹象,结构开始处于弹塑性工作阶段。
3.2模型的动力特性用ETABS 计算了前20阶振型,计算得到的结构前3阶的振动模态分别是x 和y 方向平动。
第三阶为扭转振型。
表4 模型结构前三阶自振频率、周期和振型形态地震水准频率周期振动形态7度多遇7度基本7度罕遇2.440.409X 向平动2.950.338Y 向平动4.900.204扭转2.390.417X 向平动2.910.343Y 向平动4.730.211扭转2.300.433X 向平动2.680.372Y 向平动4.480.223扭转3.3结构的振型用ETABS 计算了前20阶的振型,结构前三阶的振型如图6所示,从结构的振型来看,底层裙楼没有明显的形变,而在转换层附近开始较显著的变化。
第一振型 第二振型 第三振型图6 结构前三阶振型模态3.4型钢混凝土框架)核心筒结构研究进展国内学者对钢混凝土框架)核心筒结构开展了研究。
中国建筑科学研究院的徐培福等进行了一个30层型钢混凝土框架)核心筒结构拟静力试验。
本次试验在静力往复水平加载下破坏结果发现筒体底部区域(一至四层)出现大量斜裂缝,根部水平开裂,最终混凝土筒体剪力墙受拉肢根部全部拉开,垂直加载方向的剪力墙产生水平裂缝,根部拉开,试验中未观察到框架梁出现屈曲现象。
图7 底部一至五层剪力墙裂缝图模型分析表明,内筒根部钢筋混凝土剪力墙延性较差,在经往复水平地震作用下,首先发生剪切破坏,比较文献[2]中的试验结果,可以发现,谋取应该在构造上加密,此乃T 型断面、I 字型断面梁截面中特定部位的概念不应超常规提出(实际上就是规范中的/剪力墙加强区0)网状钢筋或者设置斜向钢筋等措施,以提高剪力墙的抗剪/屈服强度系数0。
在文献[2]中,徐培福等对于延性及耗能能力进一步研究,计算得到结构的延性系数,得出带混凝土的剪力墙的框架)核心筒结构的延性一般,结构的抗震能力主要依靠结构具有较高的承载力,因此结构的设计应庐从提高承载力和提高延性两个方面同时着手。
参考文献[2]的研究结论,表明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。
图8 文献[2]顶点位移)基底剪力滞回曲线图9 文献[2]单圈滞回曲线4 结论通过ETABS 对型钢混凝土框架-钢筋混凝土剪力墙结构模型计算分析,得出以下结论:(1)对具有大底盘的型钢混凝土建筑,应该重点提高主楼及裙楼顶面相衔接的楼层中构件的延性。
(2)对于钢混凝土框架-钢筋混凝土剪力墙结构,应该提高核心筒剪力墙的延性,尤其是剪力墙墙肢的根部,在构造上加密网状钢筋或者设置斜向钢筋等措施,以提高剪力墙的抗剪/屈服强度系数0。
迫使先于剪切出现弯曲屈服。
(3)结构在7度多遇烈度地震作用下,结构处于弹性工作阶段;在7度基本烈度地震作用下,核心筒和型钢混凝土柱之间相互作用的伸臂桁架有屈曲的变形特征,形变较明显。
核心筒剪力墙根部出现少量裂缝,结构处于弹性工作分阶段;在7度罕遇烈度地震作用下,核心筒墙体根部出现裂缝,竖向支撑发生杆件屈曲,水平抗力逐步降低,结构的底层局部构件有开裂迹象,结构处于弹塑性工作阶段。
(4)由于结构体系中各抗力侧力构件的刚度与延性不匹配性,造成各构件不能同步地发挥水平抗力,会导致先后破坏的各个击破情况。
参考文献:[1]吕西林等5上海环球金融中心大厦结构模型振动台抗震试验[J]。
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[2]徐培福等5带转换层型钢混凝土框架-核心筒结构模型拟静力试验对抗震设计的启示[J]。
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