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文章信息2
摘要2
1.介绍3
2.结构非线性动力分析5
2.1.研究结构说明6
2.2.基于纤维描述的建模方法11
2.3.地震输入：地震特征和选择的基本标准16
3.结果与讨论20
3.1.巨型框架系统的整体性能21
3.2.关键结构构件的局部响应25
4.结论33
参考文献36
高层巨型支撑框架-核心筒结构抗震分析
Eucenter，欧洲地震工程培训和研究中心，Via Ferrata 1, 27100 Pavia, Italy
关键词：
高层建筑，巨型支撑框架，稳定支撑，角撑板连接，地震分析，非线性动态响应
摘要
本文总结了一系列带悬臂梁和带桁架的高层巨型框架结构非线性动力有限元分析的结果，旨在评估该类结构地震响应的特殊性。根据欧洲的设计原则，从一个内部对称支撑核心筒的三维结构中提取了三十层和六十层的平面框架结构。核心筒由一个同心支撑的框架系统组成，而每隔15层设置一道外伸桁架，以限制层间位移和二阶效应。在一个开源平台上，采用非弹性基于力的纤维单元对结构构件进行模拟和力学理想化模型模拟螺栓连接梁柱和焊接节点板连接特性，建立能够考虑材料和几何非线性的数值模型。在支撑构件中考虑平面外缺陷，以考虑支撑板和角撑板潜在的屈曲机制。
将非线性时程分析(NLTHAs)与响应谱分析(RSA)进行了比较，旨在量化非线性时程分析系统在现代高层抗弯框架的侧向力抗力系统(MRFs)中的应用潜力。从层间位移角和加速度峰值响应、剪力和弯矩需求，以及不同楼层临界支撑的轴向力-位移曲线和静地震荷载比等方面研究了结构整体和局部性能。比较两种原型结构的响应，探讨了对结构高度的敏感性。分析结果表明，如果根据能力设计法和基于性能的设计概念进行精确设计和细化，这些系统将提供刚度和强度的最佳组合。
- 介绍
随着高强度材料和先进施工技术的不断应用，加上城市化的需要，高层建筑的数量和种类显著增加，这些拥有巨型框架体系的超高层建筑对经济和社会的影响越来越大[1-3]。这种现代化的，更加灵活的建筑结构系统由数百个不同的构件组成，包括那些具有复杂特征和大尺寸的构件[4-7]，而且其不断增加的高度对抗震设计的刚度、强度和稳定性带来了挑战，特别是在地震活动性较强的地区。与中、低层建筑相比，高层巨型支撑框架体系在性能上呈现出几个明显的特点，在设计上表现出一些独特的方面，如长周期和高模态效应[1-15]。如果强度标准通常是低层结构设计中的主要因素，那么当建筑高度增加时，刚度和稳定性往往会主导设计过程。为了确保安全和经济的设计、施工和运行，特别是在地震事件期间，在各种不同的地震荷载条件下，需要对其响应进行详细的研究来预测其响应，目前的大多数地震标准往往不适合它们[16-18]。此外，标度振动台试验[19,20]是研究应用中最有前景的分析技术，但它们不太容易应用于设计室。因此，高分辨率或简化有限元（FE）理想化是探索这些复杂结构系统抗震性能的一个有吸引力的工具，这一点在文献[1-15]中已经有了大量研究成果。如果早期的研究[9-15]有在数值模型或分析技术上进行简化，那么最近的研究早已取得显著的改进[1-8]。
广义手法[11]和高效随机振动算法[10]。研究了不规则高层建筑系统的线性特动力性。经典的集中塑性方法[9,13- 15]已被广泛研究，提出了高层建筑地震反应评估的推覆程序。在高层建筑地震脆弱性分析框架中，采用沿等效单、多竖线单元解[12]建立了简化的集总参数分析模型。根据基于刚度和强度的标准制定的不同的设计策略，对斜撑和二次支撑系统进行了讨论[4-7]，这些设计策略是在考虑重力和风荷载的情况下，根据静力分析的结果，考虑了P-Delta;效应和不考虑P-Delta;效应的情况下进行的。在这些研究中[4-7]，保守地进行了线弹性模拟，假设梁-柱节点和对角线-对角线连接表现为完全固定的系统。“通过实验观测，验证了超高层建筑钢管混凝土柱的“特设”本构关系，并应用通用商业有限元程序，在更精细的纤维梁和多层壳模型[1-3]中进行了应用。
针对这种情况，本文详细讨论了由中心支撑框架（CBF）核心和外伸/带桁架组合而成的巨型框架系统的大型隐式非线性动力模拟的建模过程，以抵抗垂直和地震引起的侧向荷载。为此，本研究将基于力的纤维单元[21,22]与开放的FE平台OpenSees[23]相结合，结合详细的建模方法，能够在几何和材料的非线性瞬态动力学分析中，重现关键结构构件（螺栓连接系统和加固板连接系统）的循环行为。首先，根据当前欧洲规范（即EC8[24]），采用响应谱分析（RSA）设计了两个参考原型，其主要几何特征总结如下，并采用中等延性等级（DCM）设计，然后编制了纤维化有限元模型，以检验其非线性动态特性。依照EC8兼容性要求[25,26] ，引入一组按比例缩放的自然地面运动，以获得位移谱兼容性[25,26]。因此，当应用于专门为MED设计的柔性高层结构时，收集了整体层间漂移和加速度峰值剖面以及剪切和弯曲力矩需求，并将其平均值与RSA确定的结果进行比较，以突出当前专门为中/低耗散行为设定的抗震规范规定[24]。最后，根据支腿在非线性时程分析（NLTHAS）中承受的临界支撑滞回特性和峰值压缩荷载，讨论了以下两个研究建筑的局部响应。本研究可作为同类超高层建筑抗震设计分析的参考。
- 结构非线性动力分析
非线性响应历史分析是动态确定结构抗震需求、确定结构塑性铰机构的有效工具。相反，推覆分析存在一些固有的缺陷和局限性[27,28](例如，传统方法中的载荷分布不变性，在较新的模态或多模态自适应解决方案过程中不能安全地考虑高模态效应[28-31]，不同模态贡献组合的不确定性，铰合截面塑性转动的估算[29,3132]。因此，非线性动力分析目前已成为一项重要的研究课题
随着计算机技术和计算算法的飞速发展，高层抗弯矩框架(MRFs)的建筑评价和设计验证技术越来越受到人们的青睐[1-3]。
尽管在钢和钢筋混凝土结构系统和部件的地震分析中常用的基于砖或壳的详细有限元模型[33–42]比等效的机械理想化提供了更多的洞察力，能够根据应力/应变集中再现其局部响应，但需要利用多处理器计算机上的并行处理的次数极大地增加了。尽管其准确性和多用途的潜力，但如果必须研究整个巨型框架系统的响应，尤其是以动态方式，则使用传统的三维或二维元素[33–42]或先进的梁/板理论[43–54]的详细方法目前几乎不可行。如果由二维或三维元素和接触或界面算法组成的高阶公式或复杂网格，能够在现象学意义上同时解释许多非线性相互作用源（例如塑性、不稳定性、滑动和热机械耦合），但它们意味着高水平的复杂度和计算工作量。相比之下，螺栓连接系统[35 - 38,55 - 57]和焊接连接系统[33,34,58,59]的复杂作用可以很容易地纳入基于纤维力的经典[60]有限元模型中，能够以等效的方式表示连接组件之间的相互作用。因此，在本研究中假设力学表征包括这些广泛使用的系统的全局响应和潜在的失效机制，后面将对此进行讨论。特别地，在下文简要描述所审查的三十层和六十层平面框架的主要几何特征和力学性能之后，给出有关建模方法和模拟技术的普遍假设。最后，将提供为执行NLTHAs和RSAs系列而选择的地震输入的详细信息，其结果如下一节所示。
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- 研究结构说明
本文所分析的两幢30多层和60多层6times;6原型建筑分析，即HR-01和HR-02，是根据目前欧洲地震规范[24]，从设计用于高地震活动性的参考三维结构(即PGA = 0.40 g)中提取的。假设土体C类(即180 m/s lt; Vs lt; 360 m/s)在三维模型上由一系列RSAs进行设计(见图1)，包括竖向地震分量、二阶效应和地震体的意外偏心。SAP 2000程序[61]用于两栋建筑的初步分析和设计。如图2所示，在给出平面图和立面图的情况下，各高层巨型支撑框架-核心建筑的侧力抵抗系统(LFRS)由一个内部CBF核心组成，每隔15层设置一个外伸支架，以限制层间漂移和二阶效应。中心16times;16 m的支撑核心在纵向和横向对称布置，通过一层高带桁架与HD柱连接，带桁架由层内支撑和竖向桁架组成。因此，这种由支撑、外伸支架和皮带组成的混合双系统提供了横向稳定性，如果某些构件受到不可预见的情况的破坏，可以重新分配荷载，并使建筑内部空间最大化。根据EC8[24]规定，考虑中延性等级(Medium ductility class, DCM)进行设计过程；根据EC8[24]6.3规定，保守假设V型支撑系统的性能系数（q)为2。然后将该值减少20%，以说明两个结构的高程不规则，如下所述。因此，选择完全二次组合（CQC）方案来执行第3节所示的RSA.
所研究的两种结构布局在平面上是对称的，任意楼层的中心的正方形平面尺寸为48times;48米，柱间距(S)在纵向和横向均为8米。柱的层间高度(H)恒定为4米，这意味着HR-01和HR-02的总建筑高度分别为120米和240米。假定恒载和活载分别为2和4。此外，在设计过程和有限元分析中还考虑了楼板结构自重、内隔墙和外覆层的自重。考虑37 m/s (84 mph)的基本风速，根据ASCE-7 05规定[62]计算风压水平荷载。假定建筑物易受过度拥挤影响，地震组合竖向重力荷载保守地由静荷载和60%活荷载的容许量组成。每个平面框架原型的所有楼层的地震质量被选择为相等的，并应用于梁上，梁采用结构构件和模型单元之间的1 - 6对应关系进行离散。为了确定节点质量和固有点荷载，假定板是单向的。
如前所述，图1和图2展示了研究中的超高层建筑的等距图、平面图和立面图，并给出了它们的结构方案，表1总结了它们的总体几何形状和竖向设计荷载。表2收集了不同楼层梁、支索、柱、支索的构件尺寸和力学性能。其中IPE 400梁用于任意楼层的两个原型建筑的框架层结构，HR-01和HR-02的前5根和20根柱子分别采用HD 400 634和HD 400 1200锥形剖面。类似地，HR-01和HR-02的前5层和10层分别提供了HSS 300 20和HSS 400 20的括号。选择HD 400 314型钢组成两个结构的外伸支腿构件。如表2所示，支撑和柱的尺寸均设计为沿着两个超高层研究建筑的高度减小。因此，q被缩放到80%，因此相关行为系数为1.6。考虑到这一设计目标，层间漂移极限值和二阶效应是柔性抗震结构体系的关键因素。在两个研究原型的初始分析和设计中，采用RSA作为参考分析方法，对可用性极限状态进行了代码兼容检查。根据[63]，梁和柱分别选用钢材等级S275(即)和S450(即)。另外，支架和外支架使用的钢材为S700,(即 ).
图3显示了一个焊接节点板和螺栓梁柱连接系统的例子，用于详细说明本研究中分析的两个高层支撑框架结构的接头。特别是如图3(a)所示的用于将矩形空心截面形状支撑连接到梁和柱上的角撑板几何形状示意图;在角撑板腹板与矩形高速钢支撑之间设置角焊缝，在角撑板边缘与梁、柱的翼缘设计完整或全熔透焊缝(FPW)。表3收集了HR-01和HR-02原型中不同楼层节点板的细节;其抗震设计采用了Nascimbene等人提出的基于性能的方法，按照欧洲规范[24]中提供的公式来估计每种破坏模式的抗力。此外，图3(b)给出了一个典型的螺栓梁-柱连接的布局，在这种情况下，用于详细说明HR-01原型一层的部分约束连接。根据[64]中的规定，使用三个M2times; 80–10.9螺栓将剪切片固定到梁的腹板上，并在180times;250times;20 mm的板之间提供两个M20times;80–10.9螺栓，由FPW焊接到柱的翼缘和梁的翼缘上。最后，在设计过程和数值模拟的基础上，对结构与基础之间的连接进行了修正处理。通过对HR-01和HR-02原型的特征值分析，分别确定了基本周期(T1)为2.73 s和6.17 s。
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- 基于纤维描述的建模方法
为了研究当前欧洲规范在应用于超高建筑时的有效,这两个设计方案是用于创建研究结构的精确非线性模型，然后使用一组实际加速度图(25、26)标度进行NLTHAs, 然后，通过将设计作用和变形与NLTHAS中记录的设计作用和变形进行比较，测量设计方法的性能。根据EC8[24] 4.3.3的规定，结构抗震设计与评估可采用四种分析方法:
1. 线性弹性静态分析。
2. 模态响应谱分析。
3. 非线性静态分析。
4. 非线性时程分析。
基于经典侧向力法定义等效地震荷载的线性弹性静力分析，对于研究中的两种原型，考虑到它们在高程上的不规则性，对于正在调查的两个原型是不可行的(见EC8[24]的4.2.3.1(3)P)。相比之下，假设线性弹性结构模型的多模RSA被认为是分析的参考方法，如EC8[24]的4.3.3.1（2）p所述。作为线性技术的替代方法，也可以使用非线性方法，因为欧洲地震规则[24]明确允许进行非线性静态和动态分析。然而前者存在固有局限性[27–32]，后者才是最精确的模拟程序，因为它可能包含许多材料的不同相互作用源和几何非线
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