收进结构大震弹塑性反应特性

简介

在结构收进部位竖向刚度不连续，会造成剪力和层的抗剪承载力突变，应力集中，从而形成结构的薄弱部位。以往对收进结构的分析主要基于弹性反应谱分析作为设计的主要手段，更多的考虑承载力方面的因素，性能化设计的目的在于小震、中震、大震下具有不同的性能设计目标；通过中大震作用，了解结构的薄弱部位；但在完全反映结构大震下薄弱部位的破坏以及性能化表现。

本文分别采用Midas和SAUSAGE对某体型收进形高层建筑进行了中震弹性反应谱分析和大震非线性时程分析。研究了结构采用不同的收进方式对中震反应谱分析中应力分布和大震作用下结构损伤破坏以及性能化的影响；根据结构薄弱部位的受力特点和破坏模式提出了相应的加强措施。

项目信息

某办公楼项目地上50层。上部结构采用框架-核心筒结构体系，外框柱采用型钢混凝土柱。抗震设防烈度为7度（0.10g），设计地震分组为第一组，抗震设防类别为标准设防类，场地类别为IV类，特征周期为0.90s。如下图所示，结构底部空间较大，在21层与35层有两次结构核心筒收进，结构刚度发生较大变化。在收进部位的转换梁中部有柱子，造成水平和竖向受力复杂。

首层结构平面图

结构空间模型

为提高核心筒的强度和延性，核心筒收进位置局部布置钢板或型钢，外框柱采用钢骨混凝土，并在柱间布置钢斜撑，以提高关键和薄弱位置的抗剪承载力；同时提高核心筒墙体的抗震等级，适当增加底部和收进部位边缘构件配筋率。

使用PKPM-SAUSAGE进行大震下动力弹塑性分析并用Abaqus进行验证。比较了结构分别采用梁式转换、墙式转换的受力特性。结构质量与振型结果对比从表中看出周期比较接近。

SATWE

Midas Gen

Abaqus

SAUSAGE

质量（t）

141652

141652

152424.7

152024

第1周期(s)

5.45

5.22

6.09

5.86

第2周期(s)

5.36

4.95

5.23

5.23

第3周期(s)

4.41

3.94

4.59

4.50

第4周期(s)

2.06

1.85

2.31

2.20

第5周期(s)

1.74

1.58

1.74

1.71

按一般的结构概念，在转换连接位置增加结构刚度会使得结构的受力状态更合理。但是收进结构本身有两个特点：

首先是结构的竖向刚度不连续，上下部分的刚心有偏心，在水平地震力作用下会沿连接部位竖向产生劈裂效果，造成这部分的竖向剪切力比较大；

其次中大震下结构的薄弱部位会首先破坏，这样会产生内力重分布，尤其是大震下结构往往会在往复荷载作用下产生连续损伤，很大程度上改变了结构的刚度和受力状态。

从弹性局部应力分析结果看，接近梁式转换破坏形式为剪切，有利于形成塑性铰，但是上下容易造成结构体系不连续。墙式转换结构整体性好，但是大震下转换部位刚度较大，吸收地震能量大，造成构件抗剪设计不容易通过。总体表现出加大梁高对抵抗小震中震，减少应力集中更有利。

计算分析

为了研究结构在大震下弹塑性的特性。使用结构动力弹塑性计算软件PKPM-SAUSAGE进行大震弹塑性动力分析。计算中使用上海规范规定的3条地面运动加速度记录，2条天然波，1条人工波。

对比结构的性能化水平，经过刚度调整耗能模式后，结构吸收地震能量更合理，性能化表现更加理想。通过合理的结构刚度分配，不仅可以使得结构的局部破坏损伤减小，对于整体结构的性能化表现也有所改善。更进一步说明结构在大震下需要更多的从损伤破坏及能量的观点考虑，进行更好的概念体系设计。单纯的抗力概念仅能部分反映结构薄弱部位。

层间位移角

从结构的层间位移角变化趋势看，层间位移在收进部位发生明显的突变。体现了相邻层刚度变化较大的影响。使用较小的连梁在大震下层间位移反而更平均。体现了大震下更多是使结构按预期的消耗地震能量起更主要的控制作用，小震反应谱分析的结果由于不能反映结构空间刚度分布，结构材料非线性，以及构件进入弹塑性后相应的结构变化，不能完全反映大震下结构的实际响应。

结构损伤

1、整体损伤分布

从损伤结果看，弹塑性分析明确的给出了结构薄弱部位的由于刚度及传力途径突变，造成在收进部位明显的出现了损伤破坏。

整层损伤分布

采用整层连梁模型出现了非常明显的剪切损伤，特别是沿连梁的边缘部位出现明显的竖向破坏发展趋势，局部破坏严重。

2、连梁损伤

对于半层墙梁模型，损伤主要集中在连梁上两侧。体现了连梁在大震下耗能率先破坏，性能更合理。

整层连梁损伤分布

3、楼板损伤

同时楼板的损伤破坏体现了与弹性分析明显不同的特点，特别是楼板的损伤发展方向体现了不规则形，沿平行于连梁方向出现，并且向角部扩展。表明在地震力作用下，连梁刚度越大，吸收的地震力越大，可能造成更加集中的破坏。如果降低连梁的刚度，大震下形成较好的耗能机制，使破坏损伤先在连梁出现，由于连梁的损伤扩展到楼板，引起X向的楼板发生应力集中而损伤扩展。

结论

弹性分析中由于构件保持弹性，体现不出大震下非线性造成内力重分布的特点，不能直接反映结构薄弱部位。按通常的概念加强转换连接部位的刚度（即增加连梁高度）会减小楼层位移并且减小连梁的应力。但在大震下设计思路更多的是从位移以及能量的考虑，使得结构的破坏按预期的方式发生，将能量耗散集中到连梁的耗能部位。这样才能更好的体现性能化设计思想。通过在刚度集中部位适当的开洞或降低连梁高度，会保证结构具有更好的延性。避免因刚度突变造成结构很大的破坏。