高新数字科研中心项目罕遇地震弹塑性时程分析

高新数字科研中心项目罕遇地震弹塑性时程分析

康,旦

湖南大学设计研究院有限公司  长沙  410006

[摘要]  高新数字科研中心项目为多层规则性超限结构，对其进行罕遇地震下弹塑性时程分析，用各结构构件和结构整体的地震反应数据，证明结构可达到预定抗震性能目标。

[关键词]  组合结构；钢支撑框架-钢筋混凝土核心筒结构；弹塑性时程分析；工程抗震；结构设计

一、工程概况

高新数字科研中心项目位于长沙市岳麓区麓谷国家高新技术产业开发区。本项目为多层建筑，结构主体高度为20.45m，地上3层，地下1层，项目总建筑面积8482.47平米；结构体系为钢支撑框架-钢筋混凝土核心筒组合结构，长沙为6度区，结构抗震等级如下：混凝土框架，核心筒剪力墙部位为二级，钢支撑框架部位为三级；基础为人工挖孔灌注桩基础，持力层为强风化板岩。

图1  典型结构平面布置图图2  标准层YJK模型三维透视图

二、性能目标

本项目结构存在竖向构件不连续、楼板大开洞等特别不规则情况，设计根据结构可能出现的薄弱部位及需要加强的关键部位，依据《高层建筑混凝土结构技术规范》和《建筑抗震设计规范》针对性的选用C级性能目标及相应的抗震性能水准，即多遇地震满足结构抗震性能水准1的要求，设防烈度地震满足性能水准3的要求，预估罕遇地震满足性能水准4的要求，并同时依据《钢结构设计标准》对钢结构构件进行抗震性能化设计，塑性耗能区承载性能等级选用性能4，延性等级为IV级。

多遇地震、设防地震下的结构分析包括：对非底部加强区混凝土框架柱、不落地的钢支撑按中震下抗弯不屈服验算；对核心筒剪力墙、底部加强区混凝土框架柱、落地框架钢柱、落地支撑、悬挑支撑、大跨桁架在中震下按抗剪弹性、抗弯弹性验算；非底部加强区混凝土框架柱、不落地的钢支撑按中震下抗剪弹性验算；经过PKPM及MIDAS对比分析，验证了构件均满足预设的抗震性能目标要求。

三、弹塑性时程分析

为达到“大震不倒”的抗震设计目标，本项目罕遇地震分析采用以抗震性能为基准的设计思想和以位移为基准的抗震设计方法。基于性能化的抗震设计方法是指采用非线性分析软件对结构进行弹塑性时程分析，通过对各结构构件和结构整体的性能研究，得到结构在地震下的反应，以证明结构可达到预定性能目标。结构进行弹塑性时程分析，以达到如下目的：（1）评价结构在罕遇地震下的弹塑性行为，根据主要构件塑性铰分布和整体变形情况，确认结构是否满足“大震不倒”的设防水准要求；（2）研究结构抗震性能，包括罕遇地震下的最大顶点位移，最大层间位移，最大层间位移角以及最大基底剪力；（3）根据分析结果，对结构薄弱部位和薄弱构件提出相应加强措施，以指导施工图设计。按照抗震规范要求，罕遇地震下弹塑性时程分析在选波时满足规范选波条件，根据弹性时程分析得到的层剪力曲线与反应谱层剪力曲线尽量吻合的角度，本工程选择了一组人工波和两组天然波进行弹塑性动力时程分析。结构弹塑性整体计算结果如下：

1）在罕遇地震作用下结构最大楼层位移为6.49mm,发生在天然波2-Y主方向下，结构最终仍能保持直立，满足“大震不倒”的设防要求；

2）主体结构在地震波作用下的最大弹塑性层间位移角为1/297，发生在天然波2-Y主方向作用下，满足1/100的规范限值要求。

3）大震弹塑性时程分析首层最大剪重比为22.79%（X）、18.19%（Y）。

4）弹塑性位移略大于弹性位移，说明结构出现了轻度的塑性发展。

图3  天然波1加速度时程曲线

图4构件损伤情况

天然波1地震波的总内能、框架柱内能、框架梁内能、斜撑内能、墙柱内能曲线如下图，从图中可以看出，框架梁从开始到最后所占耗能比例最高，其次是斜撑、墙柱。说明结构的屈服机制合理，满足抗震设计原则要求。

四、弹塑性时程分析结论

1）在人工波及天然波罕遇地震作用下结构仍保持直立，最大弹塑性层间位移角为1/267，小于1/100的限值。

2）大震弹塑性时程分析首层最大剪重比为22.62%，基底剪力约为小震弹性计算基底剪力的6.5倍。

3）核心筒墙肢承载能力有较大富余，在罕遇地震下未出现明显的损伤。

4）大震下框架柱、支撑基本处于弹性状态，承载力足够，可以满足抗震性能需求。

参考文献

[1]  超限高层建筑工程抗震设防管理规定（建设部令第111号）

[2]  超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点（建质[2015]67号）

[3]  GB50011-2010（2016年版）.建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

[4]  GB50017-2017.钢结构设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.