基于性能设计的某超高框架-核心筒结构抗震性能分析及优化

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随着我国经济发展及工程技术提升,超高层建筑的出现频率越来越高。框架-核心筒结构形式在超高层建筑中有比较多的应用,该结构形式的常规布置思路是:内部利用电梯间和楼梯间的隔墙布置核心筒,外围结合建筑功能布置框架柱和框架梁。按照国家相关部门颁发的超高超限结构工程界定标准和审查细节规定,超高超限结构须进行合理的抗震分析,保证结构具有足够的变形能力和承载能力。基于性能设计的抗震理念是目前国内外研究的一个热点,超高超限结构应用性能设计进行抗震性能分析处于探索完善阶段,仍存在几个问题:(1)超高超限结构选择怎样的水平布置和竖向布置,让结构拥有良好的刚度分布和承载能力。(2)设定合理的性能目标,如何进行量化分析和评价,判断各地震烈度下结构性能水准满足情况。本文的重点是以成都某超高框架-核心筒结构为例,基于性能设计进行研究分析,主要研究内容如下:(1)结合实际工程进行超限判定及设置合理的性能目标;通过振型分解反应谱法研究多遇地震作用下结构的周期模态、剪重比、竖向刚度及侧向位移等;筛选七条地震波补充进行小震时程分析;设防烈度地震作用下对底部加强区竖向构件进行偏拉分析、正截面受弯分析和斜截面抗剪分析,对楼板不连续楼层进行中震楼板应力分析;评价结构在小震和中震下的性能目标。(2)采用弹塑性时程分析方法论证结构在罕遇地震作用下的变形情况和受损状态。根据弹塑性分析的位移角指标、屋顶位移时程、基底剪力时程和构件损伤程度等情况,判断结构是否满足大震下的性能目标。(3)在不改变原建筑功能布置基础上,采用混凝结构新增五种结构布置方案,对150m左右的超高框架-核心筒结构进行结构方案选型优化。对五种方案进行小震作用下弹性分析,选取两个较好结构方案进一步采用大震作用下弹塑性时程分析,并对各主要结果分析评价,得到较优结构方案。通过以上分析,得到如下研究结论:(1)弹性分析结果论证了结构抗侧刚度布置合理,且结构具有较好的抗扭刚度,小震作用下结构处于弹性状态,整体达到性能水准1的要求。(2)在设防烈度作用下:局部外围墙肢为大偏心受拉但拉应力未超过混凝土抗拉强度标准值;底部竖向构件正截面抗弯不屈服,抗剪弹性;大开洞楼层的大部分楼板均未开裂;中震作用下结构整体性能水准达到4,局部达到3。(3)结构在罕遇地震作用下能满足既定的性能目标,结构整体达到性能水准5,局部达到性能水准4的要求。(4)结构整体达到设定性能目标D级要求。(5)新增五种方案弹性分析下周期模态、位移角、整体稳定性等均满足小震性能水准要求,钢框架-钢筋混凝土核心筒结构具有良好的减震效果,钢筋混凝土框架-钢板混凝土核心筒结构提升了结构的抗侧能力及整体刚度。(6)综合分析框架-钢筋混凝土核心筒结构和钢筋混凝土框架-钢板混凝土核心筒结构在大震作用下的结果,钢框架-钢筋混凝土核心筒结构抗侧刚度有所削弱,但结构自重降低减弱了地震作用,基底剪力下降明显,同时由于钢材具有高延性,框架部分屈服比例更少,综合来看该方案抗震性能更优。
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