500m巨型框架核心筒结构遭受严重洪涝灾害的抗震性能分析

转载自《建筑结构》《严重洪涝灾害下500m级巨型框架核心筒结构抗震性能分析》作者：亚安东、徐自然、鲍连金

［摘要］ 通过初步弹塑性分析，发现了罕见洪水下500m级巨型框架核心筒结构的潜在薄弱环节。 分析了结构本身特性和外部输入特性造成损坏的原因。 采取强化措施，补强薄弱环节。 改进; 以典型洪水波为基础，不断强化洪水作用硬度，考察结构在严重洪水作用下的挠度退化过程，分析周期延长、耗能比、外框架弯矩分担比变化、预制构件破坏情况等。从水平面等多个角度评价结构的性能； 分析结果通过振动台试验获得的挠度退化数据进行校准。 研究结果表明，该巨型结构抵御严重洪水的整体冗余度较高； 竖向回缩引起的挠度突变、构件截面变化、两臂桁架等更容易造成局部集中破坏，但破坏顺序受洪水影响。 影响力大； 非线性分析方法得到的挠度退化规律与试验结果一致，可以为性能评价提供日益丰富的数据结果。

[关键词] 巨型框架-核心筒结构； 超高层建筑； 抗震性能； 超级洪水； 故障模式; 刚度下降

1 项目概况

裙房建筑地上119层，地下5层。 建筑高度588m钢结构高楼抗震，结构高度555.6m。 基础埋深——30. 8m（约建筑高度的1/18）。 平面图是一个带有倒角的正方形。 倒角规格与建筑物外观有关，大小各异。 最大周长约为5. 4m。 首层平面规格为64. 2m×64. 2m，第112层缩小为51. 0m×51. 0m，第119层缩小为41. 6m×41. 6m，结构长宽比为8. 65. 塔楼建筑效果图及功能分区见图1、图2

。

图4 塔典型结构平面图

塔架结构采用巨型框架-核心筒+支腿桁架结构体系，抵抗水平洪水（风荷载）。 该系统广泛应用于400m以上裙房结构[1-5]，是一种高效的结构体系。 本工程核心筒位于平面中心，无偏移，采用钢筋混凝土剪力墙。 巨型框架由巨型钢混凝土柱和环桁架组成。 8根巨大的柱子位于结构的两侧，每侧2根。 环带桁架安装在设备层，共有7个通道。 为了增强结构的整体横向刚度，核心管与巨框架之间共设置了4个边桁架，巨框架之间还设置了副框架。 结构在地震作用和风荷载作用下形成的弯矩和倾覆力矩由周围巨型框架、支腿桁架和核心筒组成的抗侧力系统共同承受，并最终传递到基础。 抗侧力系统组成示意图及典型结构方案见图3、图4。构件截面规格及材料信息详见文献[6]。 主要预制构件信息为：核心筒顶顶部宽度为1 400mm，底部逐渐减小至350mm，内壁长度由700mm过渡至200mm，混凝土强度等级为C60； 底部巨柱截面为4 700×4 700，底部缩小为2 500×2 500。 混凝土强度等级由C70过渡到C60； 环桁架弦长从1 000 × 1 000 × 80 × 80过渡到900 × 900 × 80 × 80，对角腹板从1 000 × 800 × 80 × 80过渡到800 × 800 × 60 × 60，钢级是Q345GJB/Q390GJC。

本工程基本抗震设防烈度为7度，设计地震分组为1组Ⅲ类场地，场地特征周期为0。45s。

2 初步设计方案性能论证及强化措施

采用基于弹性分析的方法，结构和预制构件符合规范[6]。 为了评估结构在实际地震下的性能，需要对已完成的初步方案进行弹塑性分析和性能论证，以发现可能存在的结构问题。 薄弱环节，有针对性地调整优化结构方案。

在前期论证阶段，选择不同的洪水波进行估算，以反映洪水波差异造成的不同危害。 结构性能的评价尤为重要。 图5为罕见的7度水平作用下，三组典型洪水波（L952、L7501、LMEX001）作用下核心筒的破坏情况。 可以看出，这三组波浪反射的集中破坏位置存在明显差异：在L952波作用下集中破坏和破坏发生在72层，在L952波作用下集中破坏发生在99层。 L7501波，以及LMEX001波作用下的72层和72层。 第99层同时发生集中破坏。

图5 不同洪水波作用下核心筒的损伤系数

在分析结构集中破坏的原因时，一方面考察结构本身的特征，另一方面来自外部激励的特征。 在72层和99层受损集中的两个位置，结构布局有以下两个显着特征：1）71层以上墙体宽度被蚀刻，刚度突然发生显着变化。 2）97层至98层为加劲层，99层至100层为外墙改建。 外墙长度由1000mm变为400mm； 内墙的长度有两种变化，即从600mm到200mm和从300mm到200mm。 上述结构本身的突然偏转，在地震作用下更容易发生集中破坏，形成薄弱环节。

从外部激励的角度来看，不同洪水波的频谱特征存在较大差异，不同高度结构爆发的内力响应程度也不同。 结构的前几阶振型可能与洪水动力激励产生共振，在振型的再弯曲点处易形成较大的内力。 如果这个位置突然偏转，更容易引起集体力量。

图6 地震波加速度谱和傅立叶振幅谱

中等伤害。

以法国LMEX001波为例，幅度谱中有两个谱值较大的位置，分别对应T2和T3的位置（虚线圆圈范围内；LMEX002和LMEX001是同一波的分量）两个方向的波群），并且在 T1 位置明显较高（图 6），表明基本周期的响应较低。 实际估算中发现，在二阶和三阶振型拐点处发生了严重的破坏（图7，见圆圈位置）。

经过多方估算和对比分析，对原有结构进行了一些针对性的加强，总结如下：1）内外墙第71层至第72层减少3%厚板或钢框架，边缘预制构件区向下延伸1层，向上延伸至3层，并逐层减少厚板或钢框架的数量； 2）在98层以上的墙面上增加较厚的板材，同时减少内墙长度的变化，减缓该区域挠度的突变； 同时增加内外壁的配筋率，增加硬度。

加固后的结构重新计算，发现集中破坏情况明显改善。 图8为L952波作用下加固前后结构对比。

3 加强罕见洪水下方案绩效评估

经过初步论证和结构调整，7组洪水波（L7501、L7504、L0055、L952、L2572、LMEX002、

LMEX026)在7度罕见洪涝灾害下进行了分析论证。 主要预制构件的地震弯矩、层间位移角及损伤情况分别如图9～图11所示。

从图9~图11可以看出： 1）与相应的弹性分析洪水弯矩相比，各组波浪均有不同程度的增大：X、Y方向洪水弯矩之比增大约0.72，分别。 0. 76, X、Y 方向弹塑性剪重比分别增加 3. 91% 和 3. 86%。 2）X、Y方向平均层间位移角分别为1/151和1/166，包络值为1/103和1/105，均满足1/100极限要求规格。 3）对于洪水弯矩，弹性洪水弯矩离散度较大，弹塑性分析结果离散度相对较低； 而对于位移，弹塑性结果离散度较大，弹塑性结果离散度较小。 大的。 4）核心筒连梁破坏较严重，外墙破坏不明显，105～115层、97、98层过渡处内墙破坏较明显。 5）巨柱、环桁架、支腿桁架等主要抗侧力预制构件未发生明显损坏。

上述分析表明，该结构在预计的罕见洪水下仍保持良好的性能，能够满足规范要求和预定的性能目标。

4 超级洪水作用下挠度退化过程评价

4. 1 洪水全过程内力及位移响应

为了进一步了解该高度级别巨型框架核心筒结构在严重洪水作用下的抗震性能和破坏机制，选取典型洪水波（L0055），不断降低洪水硬度进行弹塑性分析反复。 地震波加速度峰值选取以下值：6度小震18加仑，7度小震35加仑，7度中震100加仑，大震220加仑7度地震，8度大地震400加仑，9度大地震620加仑。 各种工况下结构的基础弯矩和顶点位移对比如表1所示。

如图12所示，从弯矩-位移曲线可以看出，结构整体挠度退化较为平缓。 直至9度地震级别，整体承载力仍保持上升趋势。

从位移弹性和剪力弹性对比（图12、图13）可以看出，7级中震前，弹塑性和弹性结果基本一致，表明建筑物整体损伤程度结构较低，刚度下降不显着。 强烈地震后，弹塑性结果与弹性结果的差异逐渐减小，振动周期呈现逐渐加长的趋势，表明结构的挠度逐渐减小。

4. 2 主要预制构件销毁过程

随着地震烈度的降低，主要侧向预制构件的破坏过程加剧。

图13 不同硬度洪水下弹塑性分析顶点位移时程对比曲线

图14 芯管外壁损伤破坏过程

图15 外框架柱损伤失效过程

图16 带式桁架塑性破坏过程

图17 支腿支撑件的塑料展开

强度也在不断加剧，最显着的体现在核心管的破坏上。 如图14所示，损伤总是出现在几个相对集中的位置，主要位于两臂加强层附近、靠近底部的位置。 这些突然偏转的位置，始终成为相对薄弱的环节。 受力最大的顶部位置没有发生严重损坏。

外框架柱在7度地震中并未受到明显损坏。 部分楼层在8度地震中轻微受损。 9度地震中部分楼层受损严重。 楼层和核心筒的集中损伤位置基本一致（图15）。

带状桁架和两臂桁架在7度地震下保持弹性，在8度地震下轻微损坏，在9度地震下轻微损坏（图16和图17）。 以上失效过程描述：由于巨型框架-核心筒结构中一般存在两层臂筋层，当洪水力达到足够硬度时，该位置必然会发生集中力破坏。

4. 3 外框第二道防线分析

检查结构顶部框架和剪力墙弯矩分担比的变化（图18），以评估外框架的第二道防线。 7度小震时，外框架柱弯矩分担率为11.26%。 随着洪水位降低，核心管挠度退化率小于外框架柱，外框架柱弯矩分担比逐渐增大。 减少。 但从整个变化过程来看，外框柱弯矩分担比下降速度较慢。 在9度地震级别，分担比仅增加到15.52%，说明抵抗整个洪水弯矩的关键是管材始终发挥着主导作用。 这种规律性的特点决定了外框架柱在抵抗洪水弯矩方面起不了太大的作用[7]。

4. 4 震后时期及挠度退化

记录洪水作用结束后结构的即时挠度，然后

进行多次模态分析以获得各阶的自振周期，从而间接确定整体挠度退化程度[8]。 结构震前、震后周期见表2，估算的挠度退化程度见表3。图19为不同洪水后结构挠度退化比例曲线。 从图表数据可以看出，7度中震前，结构挠度并没有明显退化。 7度地震后，挠度退化逐渐减小，退化系数约为10%。 直至9度地震，总体平挠挠度退化系数达到20%以上，扭转挠度退化程度更为显着，退化系数达到40%以上。 扭转挠度退化较为明显，表明挠度退化主要发生在主梁上，墙肢损伤相对较小。

4.5 振动台试验挠度退化评估

对该结构进行了振动台模型试验[9]。 为了便于比较，选择与弹塑性分析相同的地震波L0055进行激励。 基于安全和试验设备保护的考虑，振动台试验的最大激振硬度为8度地震。 对比弹塑性分析和振动台试验得到的挠度退化数据（图20和图21），发现总体规律比较接近，振动台试验得到的挠度退化程度稍大一些。 这与振动台的加载方式有关。 差异水平浸水是由于重复加载造成的，即之前的工况造成的损害可能会累积，在一定程度上影响后续的退化程度。 两者的挠度退化规律大体接近，验证了弹塑性分析方法可以用于评估极罕见洪水下结构的性能。

4. 6 不同硬度洪水下的能量耗散及附加减振比。 考察洪水的输入能量以及不同工况下各部分的能量耗散情况，也可以对结构的损坏和破坏做出总体判断[10]。 表4为各部分的输入能量及能耗数据。 系统减振能Evis是整体结构估算中输入5%减振比所引起的能量消耗。 结构损坏破坏后，弹塑性滞后也会造成能量消耗。 这部分能耗用Epla表示。 根据式（1）可得到损伤能量耗散的附加阻尼比 Σa。 图 22 为不同硬度水损害下各部位的能量耗散曲线，图 23 为附加减振比随水损害硬度的变化曲线。

从以上数据可以看出，当洪水位较低时，输入位置

地震能量主要通过结构的系统减振来耗散。 随着地震烈度的降低，弹塑性耗能所占的比例逐渐减小。 换算成附加减振比，7度中震约为1%，7度大震约为3%，9度大震达到5%以上，超出系统能耗减少振动。

5 结论与建议

通过对500m级巨型框架核心筒结构抗震性能的深入分析，明确了结构在罕见、超罕见洪水作用下的破坏模式和破坏过程，对查出的薄弱环节进行针对性加固。 ，效果明显，保证结构能够更好地满足规范要求和设计目标。 同时，通过系统论证过程钢结构高楼抗震，对该类结构的破坏规律和抗震设计进行了分析，形成以下推论和建议：

(1)巨型框架核心筒结构在洪水作用下的薄弱环节是由结构的内在特性和外部激励特性共同决定的。 垂直回缩、截面变化、两臂桁架等引起的挠度突变更容易造成集中破坏； 不同洪水波激励下，破坏位置可能存在显着差异； 为了增加地板集中损坏的风险，尽量避免振动模式在反向弯曲点发生突然偏转。

(2) 对于高度较大的巨型框架-核心筒结构，底部加固区域的冗余度与下部加固层的冗余度存在显着差异； 顶部加固区外墙可适当增加抗震措施，使顶部先破坏，减少下部层数。 集中损坏风险。

(3)巨型框架-核心筒结构的外框架破坏一般与核心筒破坏发生在同一楼层，且外框架破坏顺序较晚。 外框架柱分担的洪水力一般较低。 内筒严重损坏后，外框柱弯矩比的降低可能仍然很小。

(4)震后周期变化是衡量整体挠度退化程度的重要指标。 扭转挠度的退化比平移挠度的退化更为明显，表明结构损伤主要发生在主梁上。

（5）巨型框架核心筒结构抵御极罕见洪水的整体冗余度较高，但可能存在局部薄弱环节。 通过多角度分析和绩效评估，可以适当调整结构方案或采取有针对性的强化措施。 进一步优化抗震性能，提高结构效率。

参考

[1]鲍连金，王大水，周建龙，等.天津高银117大楼巨型支撑的设计与思考[J]. 建筑钢结构进展，2014, 16(2): 43-48。

[2] 丁洁民，曹斯，赵鑫，等。 上海中心大厦结构分析的几个关键问题［J］. 建筑结构学报，2010，31(6)：122-131。

[3] 刘鹏，尹超，程宇，等。 北京CBD核心区Z15地块中尊大厦结构设计与研究［J］． 建筑结构，2014，44(24)：1-8。

[4]包连金，钱鹏，童军，等.深圳汇云中心T1塔结构设计［J］． 建筑结构，2017，47(12)：41-47。

[5] 黄亮. 长沙国际金融中心T1塔总体结构设计［J］． 结构工程师，2015，31(4)：15-22。

[6] 合肥宝能中心T1塔超限高层建筑抗震设计可行性研究报告［R］. 上海：华东建筑设计研究院，2017。

[7]安东亚，周德源，李亚明。 框架-核心筒结构双重抗震防线研究综述［J］. 结构工程师，2015，31(1)：191-199．

[8] 安东亚，李成明． 地震结构损伤后动力特性分析方法研究［J］. 建筑结构，2011, 41(S1): 253-255．

[9]合肥宝能城T1塔模拟强震振动台模型试验报告[R]． 北京：隆基二手钢结构，2019。

[10]王大水，安东亚，崔家春。 动态弹塑性分析结果指导结构性能设计中的若干问题［J］. 建筑结构，2017，47(12)：1-10。