在超高層結(jié)構(gòu)的非線性分析中，通常從位移、內(nèi)力、剛度、損傷和能量等角度進(jìn)行結(jié)果評(píng)價(jià)，其中剛度變化集中體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的非線性反應(yīng)。本文采用SAUSAGE軟件對(duì)某500m超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時(shí)程分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)剛度變化以及構(gòu)件損傷發(fā)展歷程進(jìn)行分析，了解結(jié)構(gòu)抗震性能。
計(jì)算模型
建筑屋面高度為528m，結(jié)構(gòu)頂高度為500m，共109層，抗震設(shè)防烈度為7度，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，第三組。結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系由核心筒+外框柱+腰桁架+伸臂桁架組成，如下圖所示。
圖1 結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系
加載條件
結(jié)構(gòu)第一周期為8.49s，采用典型長(zhǎng)周期地震波Chi-Chi-TCU波進(jìn)行雙向時(shí)程分析，地震波主方向加速度時(shí)程和反應(yīng)譜曲線如圖6所示。地震波總持時(shí)共55s，第10~30s時(shí)間內(nèi)，地震作用較大（加速度≥100 cm/s2），為地震主要作用區(qū)段， 30s后地震作用較小。進(jìn)行雙向大震和極大震彈性、彈塑性時(shí)程分析，主方向加速度峰值分別為220cm/s2和400cm/s2，主次方向峰值加速度比為1:0.85。
圖2 地震波與反應(yīng)譜曲線
頂點(diǎn)位移分析
“從結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線除了可以看出位移是否滿(mǎn)足規(guī)范限值外，更重要的是可以判斷結(jié)構(gòu)整體剛度退化程度， 并推測(cè)結(jié)構(gòu)的塑性損傷程度。”（王亞勇，2017）
結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移曲線如下圖所示，在考慮材料非線性后，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移有減小的趨勢(shì)。通過(guò)劃分不同的時(shí)間段對(duì)最大節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行比較。大震作用下在地震作用初始階段（0~10s），彈性頂點(diǎn)位移和彈塑性頂點(diǎn)位移基本重合，說(shuō)明在地震力較小時(shí)，結(jié)構(gòu)基本保持彈性，二者最大位移相差較小；在地震波加速度較大的階段（10~30s），兩條頂點(diǎn)位移曲線開(kāi)始出現(xiàn)分化，這一階段，彈塑性頂點(diǎn)位移衰減為彈性頂點(diǎn)位移的84%；在地震作用的最后階段（30~55s），地震作用值已經(jīng)較小（小于100 cm/s2），地震作用趨于穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)彈塑性位移曲線與彈性位移曲線出現(xiàn)明顯的相位差和位移差，彈塑性位移衰減為彈性的67%。
圖3 大震時(shí)程頂點(diǎn)位移曲線
表1 大震頂點(diǎn)位移對(duì)比/m
時(shí)間 | 彈塑性 | 彈性 | 彈塑性/彈性 |
0~10s | 0.281 | 0.286 | 0.98 |
10~30s | 1.549 | 1.846 | 0.84 |
30~55s | 0.778 | 1.167 | 0.67 |
構(gòu)件性能判定依據(jù)SAUSAGE軟件默認(rèn)性能評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，詳見(jiàn)SAUSAGE用戶(hù)手冊(cè)和相關(guān)微信文章。
地震作用下結(jié)構(gòu)全樓核心筒和外框筒構(gòu)件性能變化如下圖所示。可以看出，第10~20s時(shí)間段內(nèi)，構(gòu)件性能變化較快，大量構(gòu)件由無(wú)損壞階段發(fā)展達(dá)到輕微或輕度損壞階段，20s以后構(gòu)件性能變化基本趨于穩(wěn)定，與位移分析結(jié)果一致；隨著地震持續(xù)作用，大部分核心筒剪力墻出現(xiàn)輕微或輕度損壞，少部分構(gòu)件達(dá)到中度或嚴(yán)重?fù)p壞，而外框柱大部分處于無(wú)損壞或輕微損壞，說(shuō)明大震作用下結(jié)構(gòu)主要由核心筒承擔(dān)側(cè)向力，外框柱仍具有較大富裕度。連梁是主要耗能構(gòu)件，部分構(gòu)件逐漸進(jìn)入重度或嚴(yán)重?fù)p壞。
(a) 剪力墻構(gòu)件
(b) 框架柱構(gòu)件
(c) 連梁構(gòu)件
(d) 框架梁構(gòu)件
圖4 大震下構(gòu)件性能發(fā)展
增大地震作用，在極大震作用下，結(jié)構(gòu)核心筒剪力墻損傷程度明顯增大，并且有部分構(gòu)件達(dá)到重度或嚴(yán)重?fù)p壞，結(jié)構(gòu)第32層、68層和85層附近樓層核心筒損傷顯著，其中第68層為核心筒收進(jìn)樓層、第32和85層為加強(qiáng)層，由于結(jié)構(gòu)剛度突變導(dǎo)致?lián)p傷顯著。外框柱損壞程度也顯著增大，部分構(gòu)件達(dá)到中度以上損壞。
(a) 剪力墻構(gòu)件
(b) 框架柱構(gòu)件
圖5 極大震下構(gòu)件性能發(fā)展
(a) 大震 (b) 極大震
圖6 剪力墻構(gòu)件性能樓層分布圖
(a) 大震 (b) 極大震
圖7 剪力墻受壓損傷云圖
進(jìn)行了良好性能化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在地震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的合理?yè)p傷可以引起結(jié)構(gòu)剛度變化并且伴隨能量耗散，進(jìn)而達(dá)到降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的作用。結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移變化和性能發(fā)展變化可以幫助我們直觀了解非線性分析中結(jié)構(gòu)的剛度變化、損傷發(fā)展和耗能機(jī)制等，可以在SAUSAGE軟件中輸出這些數(shù)據(jù)幫助我們進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能判定。
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