双向速度脉冲地震下偏心重力柱-核心筒结构的弹塑性地震响应研究

补国斌, 徐 冲, 宾 佳, 熊浩然, 齐超文, 王 颖

(湖南工业大学 土木工程学院, 湖南 株洲 412007)

0 引言

近年来,不规则建筑结构体系得到了快速的发展,偏心建筑形式也成为建筑发展的趋势之一。针对偏心结构体系,专家和学者对其在抗震能力和应用方面进行了广泛的研究。Bu等[1]对框架结构在强震和偏心双重不利条件下进行了地震易损性分析;夏玲涛等[2]以结构双向偏心对结构实用抗震设计与计算方法进行了深入研究;补国斌[3]以框架结构为例,对其在偏心不利条件下展开了抗震性能和设计方法的研究。随着经济的不断发展,新型结构体系成为城市发展的趋势之一。创新提出并研究新型结构体系的抗震性能,并完善相关的结构设计理论,对促进我国高层建筑结构的快速发展有举足轻重的意义。周靖等[4-5]创新性地提出了一种适用于建筑工业化的新型重力柱-核心筒结构体系,把传统的节点连接方式由刚接改为铰接,并完成了其在多种不同水准地震作用工况下的振动台试验研究。张鸿森[6]对全铰接混凝土核心筒结构进行了抗震性能研究,并针对实际工程实例进行了缩尺振动台模拟试验。但专家和学者在对该新型结构体系进行系统性抗震性能研究时尚未考虑结构不规则因素。

历次震害表明,近断层速度脉冲地震作用对各类工程结构的地震响应产生显著的影响,更容易导致建筑物发生倒塌或破坏[7]。因此,国内外学者对该类地震及其对工程结构的影响进行了一系列的研究,其研究结果表明,建筑结构在脉冲型地震作用工况下的受力和变形等地震需求显著高于非速度脉冲地震作用下的相应需求值。总之,综合考虑结构平面和结构竖向不规则效应与脉冲地震动效应对建筑结构体系抗震性能耦合影响的研究工作较为缺乏,特别是针对考虑两种不利条件下新型结构体系的抗震性能研究工作更为少见[8-9]。

因此,本文以文献[4]所述的新型重力柱-核心筒结构体系及其在不同地震工况下的试验数据为原始依据,进行扩展参数化数值模拟与分析,研究新型结构质量偏心(平面不规则)和速度脉冲地震作用双重不利条件共同作用下新型重力柱-核心筒结构的非线性地震反应规律,以期为近断层区域新型重力柱-核心筒结构体系的设计提供有益参考。

1 振动台试验及其模拟

1.1 重力柱-核心筒结构体系简介与试验模型概况

新型重力柱-核心筒结构体系[4]是基于传统核心筒结构基础,将外框架柱与内部核心墙体的连梁以及外框架柱之间的连梁两端连接方式变为螺栓连接,实际中考虑为铰接(图1)。这样,核心筒的弯矩和剪力不传递到外框架。核心筒抵抗侧移和抵抗扭矩的能力强,外框架则考虑只承受重力荷载。两者分工明确,且不用纠结于传统设计方式中框架最小剪力比要求,受力更合理,设计过程更加简洁[9]。

图1 螺栓铰接节点Fig.1 Pinned connection of bolt

文献[4]以广西金融大厦的工程案例为原型,对总高度320 m的原型结构进行了适当的简化,并建立1∶40缩尺试验模型。试验模型如图2(a)所示,高8.253 m，共37层。关于试验详情见参考文献[4]。

1.2 原型结构数值模拟与结果对比

采用CANNY[10]软件对试验模型对应的原型结构进行弹塑性地震响应分析。其有限元数值建模如图2(b)所示。结构各楼层混凝土标号和钢筋材料型号的具体介绍详见文献[10]。采用CANNY软件中的内置CS4模型(混凝土指数函数模型)和SR4模型(钢筋四段式模型)分别模拟混凝土和钢筋的本构关系。其应力-应变行为如图3所示,具体材料参数设置见文献[10]。采用纤维模型模拟墙柱的压(拉)弯耦合受力行为,采用内置的CA7模型模拟构件的抗剪,钢梁采用桁架二力杆单元考虑轴向拉压作用。所有参数的取值基于CANNY程序推荐的缺省值。

图2 试验模型和数值模型Fig.2 Experimental model and CANNY numerical model

基于CANNY软件构建原型结构的有限元数值模型并进行数值结果对比与分析验证。对原型结构在7度小震、中震和大震作用下进行弹性和弹塑性分析,得到其动力时程分析数值模拟结果。

图3 相关材料本构关系Fig.3 Constitutive relationship of relative materials

采用CANNY程序得到的数值计算结果与通过相似比转换得到的原型试验数据的对比如图4所示。由图可知,数值计算和试验结果基本接近,两条曲线的吻合度较高。因此,可以采用相同的材料和模型参数设置,进行后续的扩展化数值模拟分析。

图4 位移时程比较Fig.4 Comparison between displacement time history

2 结构模型、地震动输入与分析方法

2.1 偏心结构模型

以1.1节振动台试验对应的原型结构为基础,采用YJK软件[11]分别设计不同层高的典型新型结构模型(20层和30层模型),如图5所示。其结构平面布置如图6所示,结构质量偏心的实现方法为:以Y轴为对称轴通过改变Y轴两侧的质量(减小左边,增大右边,保持总质量不变),从而实现结构偏心。本文新型结构涉及的质量偏心仅考虑沿X轴方向。结构质量偏心率的计算公式为:

(1)

式中:em为建筑结构物的质量偏心距;L为结构沿X方向的总长度;mi为第i个节点的集中质量；xi为单个构件(如第i个重力柱或第i片混凝土核心筒墙体)的质量中心距几何中心的距离。

图5 YJK模型Fig.5 YJK model

图6 结构平面布置图Fig.6 Structural layout plan

相关研究表明,在各类偏心体系中,各个楼层均出现偏心的情况较为不利,但情况过多,无法穷举,研究者往往选取各层均匀偏心工况。因此,本文亦选取结构各楼层质量均匀偏心体系进行非线性动力时程分析。利用CANNY有限元软件进行数值模拟,材料选择和结构参数设置同1.1节。

2.2 地震动输入与分析方法

震害调查表明,结构在近场(近断层或近源)速度脉冲型地震动作用下更容易发生破坏。考虑地震作用的随机性和复杂性,基于太平洋地震工程研究中心(PEER)地震数据库选取表1所列10条近场速脉冲型地震加速度记录(原始加速度记录),编号为O1～O10,以及其相对应的非速度脉冲型地震地面加速度记录用以进行对比分析,其编号为R1～R10,具体地面运动加速度数据见文献[12]。速度脉冲地震特性采用Baker定义的PI值进行表征[12],0.85≤PI≤1为脉冲区间,0≤PI≤0.15为非脉冲区间。按建筑抗震设计规范5.1.2条,采用双向地震动作为激励进行输入,输入的比例为X∶Y=0.85。分析中考虑了4种偏心率,分别为0、0.1、0.2、0.3;2类地震类型(脉冲型与非脉冲型);20条地震加速度记录;峰值地面加速度考虑0.5g以使结构进入充分的弹塑性反应阶段。采用Newmark-Beta法数值分析方法,采用瑞雷阻尼,对应第一、二阶阻尼比,均设置为0.05。

表1 10条速度脉冲型地震动记录

3 数值分析结果与讨论

分析结果表明,脉冲工况和非脉冲工况下,10条地震波下得到的结构弹塑性响应规律具有类似性。因此,3.1节以一条脉冲地震波为例进行层间位移角初步分析。3.2～3.4节则以10条地震波的弹塑性分析结果取其平均值对整体结构进行分析。以下各图中,速度脉冲和非速度脉冲地震波工况分别简称为脉冲和非脉冲工况。“e”表示结构的质量偏心率,例如,图中“e0.2”表示质量偏心率为0.2。

3.1 单条地震波下层间位移角响应规律

图7表示不同偏心率下20层结构在表1中O8地震工况下各楼层的Y向和X向层间位移角θmax的变化规律。由图可知,两个方向的θmax均随着偏心率增大而增大(曲线呈现出外扩趋势);偏心率一定时,θmax随着楼层高度的增大呈现先增后减的趋势。两个方向的定性变化规律一致,但从θmax的响应量值看Y方向明显大于X方向对应值。因此,后续的分析均取用更为不利的Y方向进行对比和分析。

图7 层间位移角Fig.7 Story drift ratio

3.2 质量偏心和速度脉冲对层间位移角的影响

图8(a)、(b)分别表示在速度脉冲型和非速度脉冲型地震动作用下,20层和30层结构的最大层间位移角(θmax)随结构偏心率的变化规律。由图可知,两种工况下20层和30层结构的θ均随着偏心率增大而增大,且速度脉冲工况(实线)下的θmax明显大于非速度脉冲工况(虚线)。为了更深入地探讨结构整体θmax的响应规律,取图8(a)和(b)各条曲线的最大值进行定量分析,如图8(c)表示不同偏心率下20层和30层结构θmax的响应规律。脉冲和非脉冲工况下,θmax均随偏心率增大而增大。脉冲工况下,偏心率为0.3时20层和30层结构的θmax分别增大到无偏心结构对应值的2倍和1.4倍。同时,速度脉冲工况下的θmax明显大于非速度脉冲工况。当偏心率为0.3时,20层和30层结构在脉冲工况下的θmax达到非脉冲工况的1.7倍和1.6倍。这表明结构偏心和速度脉冲地震效应均会显著增大结构的位移响应,在新型体系的抗震设计中应引起足够重视。

图8 层间位移角变化规律Fig.8 Change law of the story drift ratio

3.3 质量偏心和速度脉冲对层间扭转角的影响

图9(a)、(b)表示20层和30层结构在速度脉冲和非速度脉冲工况下层间扭转角(φmax)随偏心率的变化规律。由图可知,两种工况下20层和30层结构的φmax均随着偏心率增大而增大,且脉冲工况(实线)下的φmax均大于非脉冲工况(虚线)。为了更深入地探讨结构整体φmax的响应规律,取图9(a)和(b)各条曲线的最大值进行定量分析。图9(c)表示20层和30层结构随偏心率的变化结构φmax的响应规律。在速度脉冲和非速度脉冲两种不同工况下,φmax均随着偏心率增大而增大。速度脉冲工况下,偏心率为0.3时20层和30层结构的φmax分别增大到无偏心结构对应值的20.6倍和16.9倍。同时,速度脉冲工况下的φmax明显大于非速度脉冲工况。当偏心率为0.3时,20层和30层结构在脉冲工况下的φmax达到非脉冲工况的1.5倍和1.3倍。这表明结构偏心和速度脉冲地震效应均会显著增大结构的扭转效应,在新型体系的抗震设计中应予以重视。

图9 层间扭转角变化规律Fig.9 Change law of the inter-story torsion angle

3.4 质量偏心和速度脉冲对层间剪力的影响

图10(a)、(b)表示20层和30结构在速度脉冲和非速度脉冲工况下,不同偏心率对结构层间剪力(Vmax)的响应规律。由图10可知,在两种地震工况下,20层和30层两种楼层结构的Vmax均随着偏心率增大而减小,且脉冲工况下的Vmax均大于非脉冲工况。包络线均有内收趋势,此规律与文献[13]类似,原因可能是地震动双向输入,当偏心率不断增大,结构的扭转效应也随之增大,与地震动输入主方向垂直的另一方向分担了部分剪力,导致主向的Vmax减小。

图10 层间剪力变化规律Fig.10 Change law of the inter-story shear force

为了更加深入地探讨结构整体最大层间剪力Vmax的响应规律,取图10(a)和(b)各条曲线的最大值进行定量分析。图10(c)表示20层和30层两种楼层结构在速度脉冲和非速度脉冲两种工况下结构Vmax在不同偏心率下的响应规律。脉冲和非脉冲工况下,Vmax均随偏心率增大而减小。脉冲工况下,偏心率为0.3时20层和30层结构的Vmax分别约减小到无偏心结构对应值的90%和80%。同时,脉冲工况下的Vmax略大于非脉冲工况。当偏心率为0.3时,20层和30层结构在脉冲工况下的Vmax比非脉冲工况对应值约大3%和2%。

4 结语

本文基于振动台试验研究基础,通过对20层和30层新型偏心结构体系在速度脉冲和非速度脉冲地震作用下的对比分析,重点研究结构偏心与脉冲地震耦合效应对结构的层间位移角、层间扭转角和层间剪力的影响规律,得到以下结论。

(1) 新型重力柱-核心筒结构在速度脉冲和非速度脉冲两种工况下,随着偏心率的不断增大结构θmax和φmax也随之增大,且速度脉冲工况下的θmax和φmax均显著大于非速度脉冲工况下的对应值。当偏心率为0.3时,在速度脉冲工况下20层和30层两种楼层结构的θmax分别为非速度脉冲工况下的1.7倍和1.6倍;最大层间扭转角的相应倍数为1.5和1.4倍。

(2) 新型偏心结构体系的层间剪力随着偏心率的增大呈现出减小的趋势。同时,速度脉冲地震效应对偏心结构体系层间剪力有一定影响。当偏心率为0.1时,在速度脉冲工况下20层和30层两种楼层结构的Vmax的最大值比非速度脉冲工况下的对应值分别约大3%和2%。建议在新型重力柱-核心筒结构体系的抗震研究中,针对速度脉冲型地震和质量偏心对结构产生的位移和扭转变形放大效应予以重点关注。