超高层建筑全钢结构与钢_混结构方案弹塑性分析比较_许秀珍

庆万豪国际会展中心工程地下 5 层， 地上 77
用钢筋混凝土梁， 剪力墙筒体采用含钢骨柱梁的钢 角部无柱、 悬挑 筋混凝土墙。结构的外框柱网较大， 梁为 4. 45m， 同时侧向刚度较弱， 外框的剪力分担率 为 4% （ 底部） ～ 9% （ 上部） 。全钢结构与钢混结构 39 ， 59 ， 76 层设置箱形与 H 形截 两种方案均在 25 ， 面组成的伸臂桁架（ 图 1 ） 。 2 抗震性能设计目标 按 7 度抗震设防， 本工程抗震性能设计目标为：
［ 摘要］ 采用 HBTA 和 ETABS 软件对重庆万豪国际会展中心两种结构方案（ 框架支撑全钢结构与钢混结构） 分 并对分析结果进行对比 。通过弹性时程分析、 静力弹塑性和弹塑性时程分析， 对两种方案的弹 别进行弹塑性分析， 《建筑抗震设计规范 》 （ GB 50011 —2001 ） 中 “小 性和弹塑性性能进行研究 。结果表明， 两种结构方案均能满足我国 震不坏、 中震可修、 大震不倒” 的设防目标。同时对两种结构形式的抗震性能进行了比较 。 ［ 关键词］ 超高层； 全钢结构； 钢混结构； 弹塑性分析
钢混结构前 6 阶自振周期 / s
程序 第1 阶 第2 阶 7. 922 0 7. 524 5 6. 296 7 7. 574 7 第3 阶 3. 044 1 3. 754 5 1. 921 1 3. 432 2 第4 阶 1. 880 5 2. 006 5 1. 861 8 2. 024 0 第5 阶 1. 848 0 1. 962 0 1. 789 3 1. 989 9
+ + 中图分类号： TU973. 1 3 ，TU973. 1 4
文献标识码： A
848X（ 2013 ） 16001505 文章编号： 1002-
Comparison of elasticplastic analysis between hybrid structure and steel structure of a supertall building Xu Xiuzhen ，Zheng Liangzhi1 ，Cui Hongchao1 ，Zhang Tongsheng2
图3
大震作用（ JKL4 波） 下屈服构件位置
4. 4 双向大震动力时程分析 选用 GPK 波和 KOBE 波沿双向地震作用， 以及 JKL1 波单向地震作用时， 采用 HBTA 程序进行计算 分析， 分析结果见图 4 。由图可知， 设置的 4 层伸臂 桁架对超高层结构的水平位移起到了有效的抑制作 用， 提高了结构侧向刚度。 大震动力时程分析 （ 双 向） 结果见表 3 。 5 全钢结构弹塑性分析 5. 1 计算基本条件 SATWE ， TAT 及 HBTA 程序计算的全钢结构前 6 阶自振周期如表 4 所示， 三者计算结果较为接近。 5. 2 Pushover 分析结果 采用 ETABS 程 序 对 全 钢 结 构 体 系 进 行 X 向 Pushover 分析， 得出 7 度小震、 中震、 大震作用下的 性能控制点， 见图 5 。 结果显示主要抗侧力构件满 7 、 足 度中震 大震抗震性能目标要求， 结构未形成引 起倒塌的破坏机制。 第一批塑性铰出现在 18 ～ 26 层与框架支撑核心筒相连接的梁端； 梁端塑性铰发
工程共选用了 10 条地震波， 其中 8 条由中国建 筑科学研究院抗震所专为本工程提供， 多遇地震波 （ JKS1， JKS2， JKS3， JKS4 ） 、 JKL2， 罕遇地震波 （ JKL1， JKL3， JKL4） 各 4 条， JKL4 为人工波， 其中 JKS4， 其余 为天然波。此外为了分析双向地震作用对本工程的 选取了 2 条 Ⅰ 类场地土双向地震波， 一条为 影响， 1971 年 2 月 9 日美国旧金山地震波 （ GPK 波） ， 另一 条为 1995 年 1 月 17 日日本神户地震波（ KOBE 波） 。 《建筑抗震设计规范》 （ GB 50011—2001 ） （ 简称 根据 抗震规范） ， 按 7 度设防烈度计算时， 多遇 （ 罕遇） 地 双向地震波的次方向峰 震加速度峰值取 35（ 220） gal， 值按抗震规范取 0. 85 倍， 即 29． 75 （ 187 ） 。地震波的 持续时间取结构基本自振周期（ T1 = 7. 64s ） 的 5 ～ 10 倍， 模拟地震作用持续时间为 40 ～ 80s， 地震波的时间 间距为 0. 02s， 共计算 2 000 ～ 4 000步。 弹塑性时程分析计算中阻尼比取 5% ； 核心筒 剪力墙竖向分布筋配筋率取 0. 4% ， 暗柱为 1. 7% ； 柱单边配筋率为 0. 6% ； 连梁和梁左中右三处上下 配筋均为 0. 8% 。 4. 2 静力弹塑性（ Pushover） 分析结果 Pushover 分析适用于以第 1 振型为主的高度有 限的结构， 本文仅将 Pushover 分析作为两种结构的
Email： chnmaje 作者简介： 许秀珍， 高级工程师， 一级注册结构工程师， @ 163． com。
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建
筑
结
构
2013 年
图1
钢混结构与全钢结构标准层平面及伸臂桁架层平面 、 剖面图
海中巍结构设计事务所有限公司共同研发的高层建 — —层模型弹塑性动力时程分析程序 筑空间杆系— HBTA， 输入数据取自 TAT 设计软件， 弹塑性时程分 SATWE ， TAT 析数据另行输 入。 同 时 采 用 ETABS， 等程序进行小震作用下的弹性时程分析和静力弹塑 性分析计算作为验证。 4 钢混结构弹塑性计算 4. 1 基本条件 由于本次计算仅为两种方案的分析比较， 为方 ， 77 ， 便起见 计算模型仅为地上 层的塔楼部分 不考 虑裙房及地下部分。 依据《钢骨混凝土结构技术规 （ YB 9082 —2006 ） 第 5． 0． 7 条， 程》 对于钢骨混凝土 构件， 采用抗弯、 抗压刚度相应的钢结构构件等量代 TAT， ETABS 及 HBTA 程序计算的 换。用 SATWE ， 本工程前 6 阶自振周期如表 1 所示。
层， 裙房 10 层， 塔楼结构高为 351. 5m， 建筑物的外 形平面尺寸为 37m × 37m， 工程的地震及风作用较 小， 根据重庆市地震局的安评报告， 按 50 年超越概 率 3% 的设计地震动参数为 6. 4 度， 超限审查要求 抗震设防烈度为 7 度， 场地类别为Ⅰ类； 基本风压取 0. 45kN / m2 。工程经历了两次设计和建造： 第一次 支撑全钢结构体系（ 简称全钢结构） ， 建到 采用框架地上 7 层后全部拆除； 第二次选用钢钢筋混凝土核 心筒的钢混结构体系 （ 简称钢混结构 ） ， 目前施工 图已完成。两次设计均由上海中巍结构设计事务所 有限公司与当地某设计院合作完成， 现就两种结构 的弹塑性性能分析进行对比说明 。 全钢结构方案内筒为框架支撑全钢结构体系， 10 层及以下为钢骨混凝土柱， 10 层以上为矩形钢管 H 型钢梁； 钢混凝土柱， 最上部为箱形钢柱， 混结构 方案外框柱 38 层以下为钢骨混凝土叠合柱， 钢筋混 凝土截面尺寸为 1 700 × 1 700 ～ 1 500 × 1 500 ， 钢骨 39 层及以上为 为1 400 × 35 ～ 1 200 × 30 圆钢管， 1 200 钢管混凝土柱， 塔楼采用 H 型钢梁， 裙房采
表1
第6 阶 1. 181 6 1. 452 7 0. 867 9 1. 330 3
SATWE 8. 020 6 TAT 7. 629 0
ETABS 7. 304 4 HBTA 7. 643 9
注： 钢混结构的 ETABS 计算模型包含 5 层地下室及 10 层的裙 房， 其余计算模型均未考虑 5 层地下室及 10 层的裙层。
JKL3 波从第 7. 38 ， 13. 26s 起， 77 层编号为 35 的钢 77 ， 76 层部分剪 梁开始屈服； JKL4 从第 49. 06s 起， 力墙先后发生屈服、 破坏； 在所有大震波作用下， 没 有柱子及支撑发生屈服、 破坏。JKL4 波持续时间较 长， 高峰值段由 10s 到 55s， 对结构的影响较大， 引发 屈 服 构 件 较 多。 钢混 结 构 在 Y 向 大 震 作 用 下， HBTA 和 ETABS 程序 Pushover 分析结果比较如下： 首先屈服进入弹塑性的构件主要位于底层剪力墙筒 体混凝土连梁和结构上部伸臂桁架所在层及相邻层 构件， 见图 3 。
钢混结构在小震及中震作用下剪力墙保持弹性状 态， 柱不发生屈服； 全钢结构在小震及中震作用下核 心筒的柱保持弹性状态， 其他柱不发生屈服； 在大震 薄弱层包括伸臂桁架所在层及其上下层的 作用下， 核心筒处的墙、 柱不产生抗弯屈服。 对于钢混结构 进行了全部地震力由核心筒承担的验算 。 钢混结构和全钢结构在小震作用下最大层间 h /300 （ h 为 结 构 高 位移角 分 别 不 应 大 于 h /500 ， h /50 。 度） ； 大震作用下分别不应大于 h /100 ， 3 计算程序选择 两种方案主要计算均采用清华大学土木系和上
（ 1 China Majesty Structure Design Office Co．，Ltd．，Shanghai 200135 ，China； 2 College of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084 ，China） Abstract： Elasticplastic analysis of hybrid structure and steel structure of Chongqing Marriott International Conference plastic Center tower was carried out by HBTA and ETABS． By elastic timehistory analysis，Pushover analysis and elastictimehistory analysis，elastic and elasticplastic properties of two structures were investigated． Results show that both of two structures can satisfy Code for seismic design of buildings （ GB 50011 —2001 ） of “not be damaged under frequent earthquake，can be repaired under fortification earthquake and not be collapsed under rare earthquake ” ． The seismic performance of two structures was also compared． Keywords： supertall building； steel structure； hybrid structure； elasticplastic analysis