程 剑
(合肥碧祥房地产有限公司,安徽 合肥 230041)
在人类历史上多次大地震的震害调查中,远震区的高层结构会有比普通结构更为强烈的地震反应,这往往是由于受到长周期地震动的影响[1]。随着土地资源的紧缺与结构抗震性能设计要求的提升,带地下室的混凝土核心筒-框架结构体系开始广泛出现[2]。受限于地震动资料与研究方法,目前关于混凝土核心筒-框架结构体系的地震响应与损伤情况研究仍然较少。因此,在不同类型地震动作用下,研究土-地基-核心筒-框架结构体系的地震响应与损伤情况具有十分重要的现实意义。
本文以一典型混凝土核心筒-框架结构作为用于数值模型分析的实际工程背景,考虑土-结构相互作用的影响,利用有限元软件ABAQUS对该结构体系在三条不同类型地震动水平向作用下的结构抗震性能与损伤情况进行了研究,分析了该结构体系的薄弱部位以及地震动类型所导致的地震响应差异。
1 工程概况
本文以一典型混凝土核心筒-框架结构体系为实际工程背景,该结构体系剖面图如图1所示。结构地上部分为15层,地下部分为2层,总高53 m,宽10 m。其地上结构横向尺寸为10 m×45 m,单层层高为3 m,楼板厚0.4 m,柱截面尺寸为0.6 m×0.6 m,核心筒截面尺寸为3 m×0.4 m。地下结构横向尺寸为10 m×8 m,单层层高为4 m,楼板厚0.4 m,柱截面尺寸为0.6 m×0.6 m,核心筒截面尺寸为3 m×0.4 m。该结构体系采用的是标号为C60的混凝土。
本文计算场地土体参数选用具有代表性的典型土层地基[3],截取土体深度为70 m,土层分布及其参数如表1所示。
2 有限元模型的建立
2.1 土体和混凝土动力本构模型及参数
使用ABAQUS软件建立了土-地基-核心筒-框架结构体系的数值分析模型,如图2所示。
表1 土层分布及其参数
在建立有限元模型时,混凝土核心筒-框架结构体系和土体都采用平面应变单元CPE4R进行离散。其中,混凝土采用塑性损伤本构模型,其弹性模量取为36 GPa,泊松比取为0.2。场地土体通过等效线性化模型来考虑其动力作用下的物理特性,同时它也能够体现土体一定的非线性属性。场地土体和结构之间的相互作用通过设置接触来对其进行模拟,其中法向采用硬接触,切向采用摩擦接触,且摩擦系数取为0.4[4]。
2.2 土-地基-核心筒-框架结构体系计算模型的建立
为了减小横向计算范围和人工边界对混凝土核心筒-框架结构体系的地震响应影响,通过参考文献[5]的处理做法,将数值模型单侧宽度定为结构体系宽度的10倍,故二维数值模型的计算范围为:200 m×70 m。模型土体网格的划分尺寸则是满足Kuhlemeyer[6]建议的表达式,使得波通过模型后仍能保持较高的精度。
3 相互作用体系输入地震动
为探究不同类型地震动的特性对目标结构体系的地震响应的影响情况,本文选取了常用的El Centro波和1999年中国台湾集集地震中的长周期地震波KAU043波与普通地震波TCU089波作为基岩输入地震动,其水平向加速度时域响应与傅氏变化幅值谱展示在图3中。表2展示列举了选用的地震动的重要特征,包括持时、时间步长、卓越频率等。按7度抗震设防标准,本文将输入地震波的峰值加速度调整至0.1g,数值模型共设计了三种工况:KAU043水平向作用;El Centro水平向作用;TCU089水平向作用。
表2 地震波的特征信息
4 抗震性能分析与损伤评估
4.1 核心筒-框架结构体系侧向位移反应分析
图4展示了在选用的不同地震波输入下核心筒-框架结构体系沿高度方向相对水平位移结果。由图4可知,结构体系的水平位移均呈倒三角形式,地下结构相较于地上结构具有更大的水平变形率。除此之外,KAU043波作用下的水平位移最大,为42.1 cm;TCU089波次之,水平位移为17.1 cm;El Centro波最小,水平位移为9.9 cm。因此,长周期地震波KAU043作用会导致该结构体系具有更大的位移反应。而两条普通地震波中,由于TCU089波的卓越频率更接近结构体系基频,因此结构体系的位移反应大于El Centro波。
4.2 核心筒-框架结构体系应力反应分析
图5给出了在选用的不同地震波输入下核心筒-框架结构的Mises应力云图。由图5可知,低楼层的柱顶与柱脚、地下结构核心筒脚、地下结构底板是地震中核心筒-框架结构的抗震薄弱部位。所设计的不同输入工况下以上所述部位的Mises应力最值展示在表3中,由此可得,在以上所述部位中地下结构核心筒脚的Mises应力值最大。地震波类型对应力大小的影响与位移反应基本一致。此外,长周期地震波KAU043作用下,上部结构的薄弱部位发生了改变,在此类结构体系的抗震设计中需要予以重视。
4.3 核心筒-框架结构体系损伤分析
进一步对核心筒-框架结构体系的损伤情况进行分析,图6给出了核心筒-框架结构体系在三条地震波作用下的受拉损伤云图,由图6可知三种工况下,地下结构核心筒脚出现了最为明显的受损情况,是结构体系的抗震薄弱部位。此外,地下结构底板出现了不同程度的损伤,损伤因子如表4所示。可以发现,不同类型的地震波对于地下结构底板损伤的影响差异大于核心筒脚损伤。核心筒-框架结构体系上部结构在三条地震波作用下均未出现损伤,表明该结构体系具有良好的抗震性能,在7度抗震设防标准下安全度高。
表3 核心筒-框架结构薄弱部位应力 MPa
表4 核心筒-框架结构体系损伤
5 结论
通过本文的研究,可得到以下结论:
1)地震作用下核心筒-框架结构体系沿高度方向相对水平位移呈倒三角分布,地下结构相较于地上结构具有更大的水平变形率。
2)低楼层的柱顶与柱脚、地下结构核心筒脚、地下结构底板是地震中结构体系的抗震薄弱部位,这些区域会有较大的应力反应与损伤情况。
3)长周期地震动与卓越频率接近结构体系基频的地震动都会加剧结构地震反应。因此在核心筒-框架结构体系设计中,需要考虑不同类型地震动对核心筒-框架结构体系地震反应的影响。
