闽投运营中心主体结构动力弹塑性分析

为保证结构逆作法的施工质量和地铁车站施工安全,闽投运营中心采用框架-支撑核心筒结构体系。该结构是指将框筒结构的钢筋混凝土核心筒替换成支撑框架筒的结构体系。为检验该结构体系的抗震性能,采用PERFORM-3D软件建立结构三维空间模型,输入7组地震波进行弹塑性时程分析,得到结构的变形、内力及能量情况。结果表明:支撑核心筒和外框架可组成有效的多道抗震防线。钢支撑和框架梁是结构的主要抗侧力构件和耗能构件。同时,框架-支撑核心筒结构表现出与框筒结构一致的内力、变形特征。结构的弹性和弹塑性层间位移角均满足框筒结构水平位移限值要求。可见,框架-支撑核心筒结构体系具有良好的抗震性能,可用于其他类似工程。     

基于“伪弹塑性”分析的双重抗震防线设计方法

对理想的框架-核心筒结构双重抗震防线破坏模式进行剖析,提出"适度设防、合理破坏"的双重抗震防线控制目标,明确目标内涵的要点。提出一种"伪弹塑性"分析方法的思路和操作步骤,通过该方法可以得到框架-核心筒结构满足双重抗震防线性能的外框柱承载能力需求。基于此,提出"一种新的二道防线设计方法",该方法无需控制外框柱按照刚度分配的地震剪力比例,而是直接采用一种精确的截面和配筋设计方法即可实现二道防线的性能要求。最后通过一个案例初步验证了新方法的有效性。     

巨型型钢混凝土框架-核心筒超高层结构抗震性能与破坏模式分析

巨型型钢混凝土(SRC)框架-核心筒结构是由巨型型钢混凝土框架、钢筋混凝土核心筒和伸臂桁架组成的一种具有多道抗震防线的超高层结构体系。以某超高层建筑为工程背景,建立有限元分析模型,通过反应谱分析、动力弹塑性时程分析和静力弹塑性分析,研究这种结构体系在地震作用下的变形、基底剪力及屈服破坏机制。分析结果表明:结构下部变形较大,反映出结构下部破坏比上部严重和核心筒破坏比框架严重这两种破坏趋势;结构呈现"连梁→墙肢→框架"的屈服机制,符合多道抗震防线的概念设计;结构的加强层、裙塔楼交接处以及结构底部容易首先破坏,设计中应当注意这些薄弱环节。     

上海陆家嘴金融贸易区X2地块南北塔楼结构设计与研究

上海陆家嘴金融贸易区X2地块南、北塔楼高度分别为250m和260m,采用巨型框架-核心筒结构体系,属于超限超高层建筑。根据结构体系和特点,针对核心筒的重要性、转角桁架的设置、楼面梁板的布置等阐述了设计思路。通过对比分析设置与不设置伸臂桁架时地震作用引起的弯矩及剪力在核心筒和外框架之间的分配关系,指出只要将伸臂桁架的刚度控制在合理的范围,既可有效改善核心筒的受力,又不至于导致过度的刚度突变。静力弹塑性分析给出了塑性铰的发展过程,表明结构各道抗震防线性能良好,能保持有效的协同工作。振动台试验表明结构总体上满足现行规范7度抗震设防的要求,根据8度罕遇地震下结构出现的局部破坏情况给出了设计建议。研究结果表明,南、北塔楼结构体系合理,具有良好的抗震性能。     

框架-核心筒高层混合结构的三维空间弹塑性抗震分析

准确预测结构在强震作用下的非线性行为,对评估结构抗震设计的安全性具有重要意义。在总结了现有的结构弹塑性分析模型基础上,以通用有限元程序MSC.MARC为平台开发了一系列新的结构弹塑性分析模型。通过对试验的模拟,表明这些模型可以直接将构件的非线性节点力(轴力、剪力和弯矩)、节点变形(平动和转动)和材料的非线性应力-应变行为联系起来,能够较好地模拟各种复杂受力构件的滞回行为和轴力-双向弯曲-剪切耦合行为。同时,借助通用有限元程序的前后处理功能和非线性计算功能,这些模型可以细致地模拟地震作用下整体结构的三维非线性地震响应。利用所开发的分析模型,对一个复杂框架-核心筒高层混合结构实际工程进行了弹塑性动力时程分析,较好的模拟了该工程结构在地震作用下的复杂抗震行为,并根据不同强度地震作用下的分析结果,说明该工程外框架与4个子筒组成的核心筒可组成有效的双重抗震结构体系,并具有连梁、子筒和外框架三道抗震防线,为工程抗震设计提供依据。     

内置型钢弱框架的约束混凝土核心筒抗震性能试验研究

为了合理改善混凝土核心筒体的抗震性能,提出设置边框柱以及型钢弱框架的措施,以形成对混凝土核心筒的强约束。对高宽比为3.14的内置型钢弱框架的约束混凝土核心筒试件进行拟静力试验,研究其破坏机理、滞回性能、承载力、弹塑性变形能力、刚度退化及耗能能力。试验结果表明,混凝土核心筒设置边框柱及型钢弱框架后,由于墙体处于强约束状态,混凝土破坏推迟,使其达到极限荷载后的水平承载力下降缓慢,变形性能好,耗能能力强,其内部的型钢弱框架可作为筒体自身的后备抗震防线,是确保核心筒具有良好而稳定的后期抗震性能的有效措施。     

高层建筑单核心筒周边悬挂结构振动台试验研究

为深入研究高层建筑单核心筒周边悬挂结构体系在地震作用下的动力响应特点以及核心筒底部的受力性能、损伤特征、破坏模式等,以实际高层建筑结构为原型,设计并制作了缩尺比为1/20的模型,进行了三向激励下的模拟地震振动台试验,包含了多遇、设防、罕遇以及极罕遇地震作用工况。试验中核心筒呈现的损伤破坏过程为：连梁最先开裂;随后连梁原有裂缝加深,同时筒体底部墙肢也逐渐进入损伤状态;最后筒体底部墙脚达到压溃状态。该损伤破坏是渐变过程,具有延性破坏的特征,表明核心筒单独作为抗侧力系统能够提供两道抗震防线。试验结果表明,悬挂部分竖向加速度峰值响应约是筒体的2～4倍,结构设计中应予以重视;对于单核心筒周边悬挂结构,将楼面主梁与核心筒以及悬吊柱分别铰接,受力简洁合理,吊杆应力设计可控。研究成果可为单核心筒周边悬挂结构体系的工程设计提供相应的结构抗震性能依据,也为城市密集区域内空间的高效综合利用提供有利条件。     

连梁破坏对框架-核心筒结构双重防线及抗震性能的影响分析

通过案例分析,讨论了框架-核心筒结构体系在地震中连梁能否有效发生破坏耗能对双重抗震防线、以及对整体结构抗震性能的影响规律.结果显示,连梁对整体结构抗震性能影响非常关键,其刚度退化是导致地震力降低的主要因素;外框柱在芯筒发生严重破坏之前和之后承载能力均较难有效发挥,其阻止芯筒发生严重破坏的效果很弱;在双重防线设计中,可将重点放在芯筒本身二道防线的设计,从而弥补在芯筒和外框柱之间双重防线的设计困难和不足.     

基于性能的框架-支撑芯筒结构抗震评估

框架一支撑芯筒结构是指采用支撑框架核心筒代替框筒结构中钢筋混凝土核心筒的一种结构体系。以闽投营运中心为例,进行基于性能的抗震评估。采用三维弹塑性模型对结构进行多遇地震和设防地震作用下的弹性时程分析及罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,重点研究罕遇地震作用下结构构件的性能状态和塑性发展状况,寻找结构抗震的抗震薄弱部位。结果表明,闽投营运中心能够满足各项既定的抗震性能目标。此外,为保证薄弱层具备足够的变形能力且不转移,可将钢支撑替换成防屈曲约束支撑。该成果对框架一支撑芯筒结构体系的设计具有一定参考价值。     

高烈度地区某超高层混合结构设计

高烈度地区某超高层结构地面以上部分57层,地面到大屋面高度为246.25m,采用钢管混凝土柱-型钢梁-钢筋混凝土核心筒-伸臂桁架结构体系。通过多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下的结构受力性能分析,论证了结构的抗震安全性。介绍了核心筒剪力墙、外围框架柱以及加强层等关键部位的设计思路。通过工程实践验证了高烈度地区混合结构通过合理的结构体系设计形成多道抗震防线,保证结构整体安全性能的可行性。     

我国高度250 m以上超高层建筑结构现状与分析进展

我国250 m以上超高层建筑数量日益增加，超高层建筑由长三角、珠三角地区逐渐向全国其他区域扩展，其中环渤海地区以及部分二线城市中超高层建筑发展迅速。对不同高度的超高层建筑，其常用的结构体系为：框架-核心筒、框筒-核心筒、巨型框架-核心筒和巨型框架-核心筒-巨型支撑结构。分析表明：随着结构高度的增加，巨型框架和巨型支撑应用较多，混合结构在超高层建筑结构中广泛应用。通过实际工程造价分析，研究了建筑高度、抗震设防烈度、结构材料对超高层建筑工程造价的影响。分别从超高层建筑形态空气动力学优化和长周期响应方面，阐明了超高层建筑结构分析、设计中的关键问题。采用黏滞阻尼器可有效降低超高层建筑结构地震响应，对黏滞阻尼器在实际超高层建筑中的应用现状及发展前景进行了简要介绍。     

C100高强混凝土框架-核心筒消能减震结构抗震性能研究

我国现行建筑抗震设计规范中要求结构（构件）在满足承载力的同时,需具备足够的变形能力,但是由于高强材料在延性上的不足,高强混凝土结构构件可能无法同时满足以上要求。为充分发挥高强混凝土竖向构件承载力,基于设置消能减震装置集中耗能降低结构地震响应的方法,对7度设防区C100高强混凝土框架-核心筒消能减震结构抗震性能进行研究。结果表明：在罕遇地震作用下,C100高强混凝土框架-核心筒结构竖向构件基本保持在弹性工作状态,消能减震技术可有效降低地震作用,保证结构的抗震安全;通过不同消能减震方案对比分析得到,在加强层以及结构剪切变形较明显的楼层布置合理数量的黏滞阻尼器减震效果最好。     

框架-核心筒结构整体抗震性能评价指标研究与应用

在已有的动力弹塑性时程分析和模型振动台试验中发现,受损伤程度和损伤部位的影响,结构各阶振型对应的周期变化(刚度退化)不同。为此,基于动力作用下结构刚度退化,提出了框架-核心筒结构整体抗震性能的评价指标——刚度退化系数及其计算方法,并通过已完成的两个实际工程缩尺模型振动台试验进行验证。试验和计算结果吻合较好,所得的刚度退化系数变化规律一致。利用刚度退化系数指标对5个框架-核心筒模型进行抗震性能评价和比较,结果表明：框架-核心筒结构模型的刚度退化系数随着峰值加速度的增加而增大;在设防烈度及超设防烈度的罕遇地震作用下,单重体系模型的刚度退化系数明显高于双重体系模型,且相同峰值加速度下框剪比越大的模型刚度退化系数越低;双重体系的抗震性能优于单重体系,且框剪比越大的模型,其整体延性和抗震韧性更好。刚度退化系数指标概念明确、计算简便,评价结论与倒塌概率、倒塌储备系数等指标一致,可作为框架-核心筒结构整体抗震性能的评价指标。     

超高层钢筋混凝土框架-核心筒结构的抗震特性分析

运用大型有限元软件ANSYS对某超高层钢筋混凝土框架-核心筒结构进行模态分析,并通过设计软件ETABS的计算结果对其进行验证,得到结构的自振特性。在模态分析的基础上,采用时程分析法对该结构进行非线性地震分析,对结构输入3种不同的地震波进行计算,充分分析和比较了计算结果,包括层间位移角沿高度变化包络曲线、顶点水平位移时程曲线、层间位移沿高度变化包络曲线以及顶层加速度时程曲线。结果表明:在地震作用下,该结构没有出现较为明显的薄弱层,同时结构的最大层间位移角出现在结构的中上部,且其值小于《高层建筑混凝土结构技术规程》规定的1/100,能够满足抗震设防要求。利用ANSYS和ETABS对结构进行非线性地震分析,反映了此类结构体系在地震作用下的动力特性,解决了设计中的疑难问题,并校验了结构设计方案的合理性。研究结果在超高层结构抗震设计方面具有重大的理论意义和实用价值。     

Research and application on overall seismic performance evaluation index of frame-core tube structure

在已有的动力弹塑性时程分析和模型振动台试验中发现，受损伤程度和损伤部位的影响，结构各阶振型对应的周期变化(刚度退化)不同。为此，基于动力作用下结构刚度退化，提出了框架-核心筒结构整体抗震性能的评价指标——刚度退化系数及其计算方法，并通过已完成的两个实际工程缩尺模型振动台试验进行验证。试验和计算结果吻合较好，所得的刚度退化系数变化规律一致。利用刚度退化系数指标对5个框架-核心筒模型进行抗震性能评价和比较，结果表明：框架-核心筒结构模型的刚度退化系数随着峰值加速度的增加而增大；在设防烈度及超设防烈度的罕遇地震作用下，单重体系模型的刚度退化系数明显高于双重体系模型，且相同峰值加速度下框剪比越大的模型刚度退化系数越低；双重体系的抗震性能优于单重体系，且框剪比越大的模型，其整体延性和抗震韧性更好。刚度退化系数指标概念明确、计算简便，评价结论与倒塌概率、倒塌储备系数等指标一致，可作为框架-核心筒结构整体抗震性能的评价指标。     

巨型框架-核心筒结构地震剪力分布特征分析

目前,我国在巨型框架-核心筒结构体系的工程设计中主要参照现行规范对于普通框架-核心筒结构的相关规定执行。然而,巨型框架-核心筒结构与普通框架-核心筒结构的受力特点及规律有所不同,针对巨型框架-核心筒结构与普通框架-核心筒结构的框架剪力分布特征的对比研究有待完善,而且我国现行规范也缺乏对巨型框架-核心筒结构中框架剪力的调整规定。因此,通过典型普通框架-剪力墙与巨型框架-剪力墙平面模型算例的静力分析及典型巨型框架-核心筒结构算例的弹塑性动力时程分析,考察了地震作用下楼层剪力在结构各竖向构件之间的分布规律。结果表明：地震作用下巨型框架-核心筒结构中的框架楼层剪力分布规律与普通框架-核心筒结构有明显区别;巨型框架柱与次框架柱的楼层剪力分布规律存在明显差异;规范中规定的框架剪力调整方法不能直接应用于巨型框架-核心筒结构。结合分析得到的剪力分布规律及已有的工程经验,针对巨型框架-核心筒结构中框架剪力调整方案进行讨论并给出相关建议。     

Study on seismic design method of high-rise structures resistant to rare earthquakes on basis of progressive seismic failure mode

针对高层结构罕遇地震作用下局部集中损伤破坏易导致整体倒塌的问题，及超静定次数消耗集中且不充分的结构地震失效本质，确定了高层结构耗能构件分批次充分消耗超静定次数的多阶段塑性发展路径，提出了高层结构塑性发展充分、失效方向可控、失效路径延长的渐进地震失效模式。同时，考虑结构多阶段塑性发展过程中地震作用的往复特性、高阶振型影响和非线性内力重分布特点，建立基于多阶段振型组合的标准地震作用，给出了多阶段塑性发展的抗震性能量化需求，建立了基于渐进地震失效模式的高层结构抗罕遇地震设计方法。该方法将高层结构渐进地震失效全过程的复杂设计简化为有限塑性阶段的分段抗罕遇地震设计，解决了高层结构难于抗罕遇地震量化设计的难题。为验证该设计方法的有效性，对一幢10层高层结构进行了抗罕遇地震设计，通过非线性时程分析方法验证了按所提方法设计的结构能够实现结构渐进地震失效模式以及结构抗震性能目标，并对比分析了按所提方法设计的结构与按现行规范方法设计的结构的抗震性能，得到按所提方法设计的结构在地震动峰值加速度为0.22g作用下耗能提高了57%，在非线性静力推覆作用下非线性抗力（基底剪力）最大值提高了15.59%。     

支撑巨型框架-核心筒结构体系抗震性能研究

以深圳平安金融中心为原型结构,提出支撑巨型框架-核心筒结构体系的概念,并以目前超高层常用的巨型框架-核心筒-伸臂桁架结构体系作为参照,开展了结构体系的抗震性能对比研究。研究结果表明,在两种结构体系抗侧刚度相近的工况下,支撑巨型框架-核心筒结构体系的用钢量显著降低。罕遇地震作用下,该结构体系的典型屈服路径为核心筒→巨柱→支撑→伸臂桁架。该结构体系显著增强了外框的抗侧刚度,提高了外框的剪力分担比例,使得内筒和外框的抗侧能力更加均衡,同时内筒和外框之间的竖向剪力连接需求降低,既减轻了核心筒损伤,又可降低伸臂桁架的刚度和杆件截面面积,并使伸臂桁架加强层与相邻上下层之间的层间刚度突变效应显著降低。因此,支撑巨型框架-核心筒结构体系是一种抗震性能优越的混合结构体系,适用于500m左右及以上高度的超高层结构。     

基于渐进地震失效模式的高层结构抗罕遇地震设计方法研究

针对高层结构罕遇地震作用下局部集中损伤破坏易导致整体倒塌的问题,及超静定次数消耗集中且不充分的结构地震失效本质,确定了高层结构耗能构件分批次充分消耗超静定次数的多阶段塑性发展路径,提出了高层结构塑性发展充分、失效方向可控、失效路径延长的渐进地震失效模式。同时,考虑结构多阶段塑性发展过程中地震作用的往复特性、高阶振型影响和非线性内力重分布特点,建立基于多阶段振型组合的标准地震作用,给出了多阶段塑性发展的抗震性能量化需求,建立了基于渐进地震失效模式的高层结构抗罕遇地震设计方法。该方法将高层结构渐进地震失效全过程的复杂设计简化为有限塑性阶段的分段抗罕遇地震设计,解决了高层结构难于抗罕遇地震量化设计的难题。为验证该设计方法的有效性,对一幢10层高层结构进行了抗罕遇地震设计,通过非线性时程分析方法验证了按所提方法设计的结构能够实现结构渐进地震失效模式以及结构抗震性能目标,并对比分析了按所提方法设计的结构与按现行规范方法设计的结构的抗震性能,得到按所提方法设计的结构在地震动峰值加速度为0.22g作用下耗能提高了57%,在非线性静力推覆作用下非线性抗力（基底剪力）最大值提高了15.59%。     

钢管混凝土减震框架与钢管混凝土框架-剪力墙结构的对比试验研究

设计两榀比例为1:4、梁柱构件尺寸相同的试件:一榀为设置新型三重钢管防屈曲支撑的钢管混凝土减震框架,一榀为普通钢管混凝土框架-剪力墙结构。对两个试件进行反复荷载作用下的抗震性能试验,对比分析两种结构的破坏特征、滞回性能、骨架曲线、强度和刚度退化、耗能能力和关键点应变等抗震性能指标。试验结果表明:钢管混凝土减震框架结构具有与钢管混凝土框架-剪力墙结构相当的承载力,并在变形能力、延性和耗能能力等方面均有明显的提高,对刚度退化和强度退化也有明显的缓解,具有更合理的受力性能和破坏机制,新型三重钢管防屈曲支撑起到良好的耗能减震作用,有效地改善钢管混凝土框架的抗震性能。