某政务中心罕遇地震作用下的动力弹塑性分析

某政务中心罕遇地震作用下的动力弹塑性分析

花夏

江苏省建筑设计研究院股份有限公司第一设计院  江苏南京 210000

【摘要】江苏省政务服务中心及公共资源交易中心位于南京市汉中门大街与纪念馆东路交叉口东南角。本文主要介绍8层的新建政务及公共资源交易中心(二期)，采用框架剪力墙结构，不落地柱采用悬挑钢桁架转换。本结构有多项不规则，需要进行大量分析设计，本文着重描述其中罕遇地震作用下的非线性响应分析与抗震性能评价。

【关键词】结构不规则；抗震性能化设计；动力弹塑性分析；

1引言

为了满足建筑造型的需求，江苏省政务服务中心及公共资源交易中心工程设计中，这导为特别不规则建筑(四项不规则项)，设计的难度较大。本文详细得描述了本工程项目的罕遇地震的弹塑性分析部分，希望类似工程的设计施工建设可以借鉴本工程的相关做法。

2工程概况

江苏省政务服务中心及公共资源交易中心共分两期，一期为原有体育馆改造，现已施工。本次设计范围为新建政务及公共资源交易中心(二期)。

本文主要介绍新建政务及公共资源交易中心(二期)结构设计的相关内容。建筑总面积约为10.2万平米，其中地下面积3.6万平米，地上面积6.6万平米。大楼南北向长约为115m，东西向宽度约为100m，平面呈扇形布置。新建大楼地下两层，地下一层高6.5m、地下二层高4.0m，主要为地下停车库，局部考虑平战结合为核六级甲级人防地下室（详人防设计图纸）；地上共八层（局部五层），一层高6.0m，二、三层层高4.5m，其余层高均为3.8m，总高度为34.30m。地上部分主要建筑功能为政务服务中心及公共资源交易。

3结构布置及超限设计

3.1结构布置

3.1.1结构体系

本工程采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，南北向115m，东西向100m，未设置抗震缝。为满足建筑平面功能及立面造型，北面三~八层局部框架柱需要悬挑转换，采用钢桁架进行转换，转换桁架及楼层水平支撑计算时，楼层板按0厚板考虑，竖向及水平荷载传递路径明确、可靠，保证了关键构件计算的准确度及安全性。

3.2超限设计

本主楼工程有多项不规则项：

（1）平面不规则（扭转不规则），本工程X向最大位移/平均位移为1.29，Y向最大位移/平均位移为1.17，均大于1.2，属扭转不规则；

（2）二层凹进超过40%，属平面不规则；

（3）局部竖向构件不连续，针对此情况，本工程采用桁架转换竖向构件、楼层受剪承载力突变，竖向收进超40%，属竖向不规则；

（4）局部不连续，首层存在大开洞，洞口旁有穿层柱；

本工程结构存在多项不规则，为确保工程的安全和可靠，相关的模拟分析和重难点分析被采用。

本文针对罕遇地震作用下的弹塑性时程分析着重介绍。

4罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析

动力弹塑性时程分析方法可以考虑包括几何、材料边界条件等各种复杂的非线性因素；还可以反映地面运动的各种因素的影响包括但是不限于方向、特性、持续时间等以及地基和结构之间各种各样的相互作用以及分块阻尼等问题。

在传统承载力设计方法的基础上，动力弹塑性时程分析是一种必要补充，动力弹塑性时程分析是一种数值分析方法，它是直接基于结构作为动力方程，作为弹塑性振动体系，这种分析方法将结构直接按照地震波数据输入地面运动时的加速度，从而得到结构各个质点位移、速度、加速度和构件的内力在整个地面加速度随时间变化期内这一过程中，通过给出的结果，比如结构开裂和屈服的顺序来发现应力和变形的集中部位，来判别关键构件的屈服机制和整个结构的薄弱环节及可能破坏类型，通过设计一系列加强措施来保证结构具有较好的承载力和延性，满足罕遇地震性能目标的抗震设防要求。

对此工程进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，以期达到以下目的：

（1）通过本结构主要构件在罕遇地震作用下的反应比如塑性损伤和整体变形情况来设计分析， 来确定本结构是否满足“大震不倒”这一水准；

（2）通过结构在分析过程（大震作用）的反应得到其在大震作用下的各项指标，从而评价结构在大震作用下的力学特性；

（3）检验混凝土剪力墙墙肢在大震下的情况；

（4）根据以上分析结果，给出薄弱部位的加强措施。[5]

4.1   地震波的特征周期与本工程的场地特征周期接近，与规范相比选中的时程波对应的加速度反应谱在结构各周期点上相差不超过20%；持续时间为本结构分析所得第一周期的 5~10 倍；最大峰值须满足规范的相关要求。以上要素都是抗震规范规定的动力弹塑性时程分析所选用的地震波必须满足的

本次计算中选用地分析选用两组天然波TH1TG050(1994，cpc_74_nor)、TH7TG050(1994， smi_90_nor)和一条人工波RH1TG050(Artificial,namjyeong-1)震波分别进行 x、y 方向的罕遇地震动力弹塑性时程分析，地震波波形及加速度谱如图所示，均满足上述要求。

按照抗震规范要求，本工程大悬挑转换应考虑竖向地震作用，弹塑性动力时程分析地震波有效峰值加速度这一参数取值为 220cm/s

2，地震波持续时间不小于结构第一周期的 5~10 倍。

4.2  材料模型

结构采用 Midas Building 默认的混凝土材料模型，如下图所示：

图2 混凝土材料模型

钢材及钢筋采用双折线模型，钢材在达到屈服强度后，刚度会发生变化，钢材的刚度在达到屈服强度后取折减后的刚度。如下图所示：

图3 钢筋材料模型

4.3  构件模型及整体计算假定

本次结构分析采用纤维模型模拟竖向墙体，如图4所示，混凝土和钢筋材料分别用不同的纤维束模拟，两者的材料本构模型分别采用上节所述材料模型，程序默认的三折线模型为墙单元的剪切特性材料本构关系。

图4 纤维墙单元剪切模型

梁、柱、支撑三种杆单元在本次结构分析中采用一维杆系模型模拟，使用塑性铰来模拟各种主要构件的塑性损伤。梁的塑性铰采用P-M铰，修正武田三折线模型为混凝土梁滞回模型。型钢混凝土柱的塑性铰为P-M-M铰，随动硬化三折线模型为其滞回模型。斜柱支撑采用考虑轴力的梁柱铰模型。【2】

图5  梁滞回模型

由于真实构件配筋尚未确定，混凝土构件的塑性铰及墙体纤维单元的具体性质均由程序根据小震弹性分析得出的配筋情况自动计算。重力荷载代表值（恒载+0.5活载）作为动力弹塑性时程分析的初始状态，地震波选取如4.1节所述，计算则采用直接积分法，结构阻尼采用瑞利阻尼，设置主要频率范围内阻尼比为0.05，质量和刚度因子由程序自动计算。

4.4分析结果

4.4.1层间位移角

4.4.2 楼层剪力

4.4.3弹塑性动力时程分析结果

表1罕遇地震下层间位移角及层剪力表

根据以上弹塑性分析结果图表可知，结构在罕遇地震下的层间位移满足了规范的要求，且有一定的富余，达到了“大震不倒”的抗震设防要求。

4.5 罕遇地震作用下结构性能小结

（1）在罕遇地震波输入过程中，结构的破坏形态可描述为：在罕遇地震下塑性铰最先出现在结构连梁上，然后连梁损伤迅速发展并逐渐累积；结构部分框架梁进入塑性阶段参与结构整体塑性耗能，但整体框架梁塑性损伤有限；仅顶部部分框架柱进入屈服状态。地震输入结束时，底部加强区部分墙体损伤程度相对较大，但未出现剪力墙全截面进入屈服状态的情况，基本满足大震不屈服的要求；

（2）框架部分在罕遇地震作用下大部分框架梁的塑性损伤未达到开裂强度水准，绝大部分梁未超过屈服强度水准；仅少数框架柱塑性损伤达到开裂强度水准，大多数柱未屈服，框架梁、柱均未达到极限状态，框架作为第二道设防体系具有足够的富余；

（3）罕遇地震作用下，底部加强区墙体剪应变较大，最大正应力为7MPa，未压溃，施工图设计中对底部加强区墙体按抗剪中震弹性，抗弯中震不屈服设计；

（4）在罕遇地震作用下，转换斜撑部位无塑性铰出现，转换桁架按中震弹性设计；

（5）在罕遇地震作用下，本结构楼层位移角满足了抗震设防性能目标要求；

（6）综上所述，本结构在罕遇地震作用下的弹塑性反应及破坏机制，符合结构抗震工程的概念设计要求，结构具有较高的承载力和较好的延性，满足“大震不倒、不严重损坏”这一抗震性能目标。

参考文献

[1]周岸虎等.江苏省政务服务中心及公共资源交易中心（二期）楼抗震专项审查.【R】 南京  ，2015

[2]戴陆辉.马陆星级宾馆超限高层结构抗震性能分析【J】. 建筑技术开发，2018，45（14），17-19

[3]程柯;桂国强.某超限高层框筒结构弹塑性动力时程分析【J】. 山西建筑，2012,38（28）,28-29

[4]周辉.某档案馆超限结构设计【J】.中国建筑金属结构. 2022, (10),115-117

[5]张相悦.ABAQUS软件在基于性能的地震时程分析上的应用【D】.浙江大学. 2014,

Dynamic elastoplastic analysis of a government center under rare earthquake action

HUA Xia

(First Design Institute of Jiangsu architectural design and Research Institute Co., Ltd ,Nanjing ,Jiangsu 210000)

Abstract: The Jiangsu Provincial Government Service Center and Public Resource Trading Center are located at the southeast corner of the intersection of Hanzhongmen Street and Memorial Hall East Road in Nanjing. This article mainly introduces the newly built 8-story government and public resource trading center (Phase II), which adopts a frame shear wall structure, and the non landing columns are converted into cantilever steel trusses. This structure has multiple irregularities that require extensive analysis and design. This article focuses on describing the nonlinear response analysis and seismic performance evaluation under rare earthquake actions..

Key words: Irregular structure; Seismic performance-based design; Dynamic elastoplastic analysis;