成都双流国际机场T2航站楼大厅弹塑性时程分析

第40卷 第 9期 建 � 筑 � 结 � 构 2010年 9月 成都双流国际机场T2航站楼大厅弹塑性时程分析 周定松, � 肖克艰, � 陈志强 (中国建筑西南设计研究院有限公司,成都 610081) [摘要] � 选取了三组天然地震波和一组人工波,采用动力弹塑性时程分析对成都双流国际机场T2航站楼在罕 遇地震作用下的抗震性能进行了分析。结果表明,在罕遇地震作用下,该结构的钢筋混凝土框架最大弹塑性层间位 移角小于的限值;超长结构楼板平面内变形显著, Y向最大位移角出现在结构长边的中部;大跨度钢拱结构尚 处于弹性阶段;钢筋混凝土框架结构的塑性铰主要出现在梁端;有少数框架柱出现塑性铰, 且屈服程度较轻; 直接支 承钢结构的框架柱基本上处于弹性。成都双流国际机场 T2航站楼的设计达到了预定的抗震设防目标。 [关键词] � 弹塑性时程分析; 抗震性能; 超长结构 Inelastic time�history analysis on the hall structure in Chengdu Shuangliu International Airport T2 Terminal Building Zhou Dingsong, Xiao Kejian, Chen Zhiqiang ( China Southwest Architectural Design and Research Institute Co. , Ltd. , Chengdu 610081, China) Abstract: Seismic behavior of Chengdu Shuangliu International Airport T2 Terminal Building was studied by inelastic time�history analysis method under severe earthquake excitation. The input motion for the inelastic time�history analysis included three earthquake records and one artificial wave. Results indicate that the max imum drift angle of RC frame under severe earthquake is less than the limit value; the plane internal deformation of the ultra long structure is remarkable; the Y direction maximum drift angle appears at middle broadside of the structure; the long�span steel arches are still in the elastic stage; most plastic hinges are formed in frame beams; a few plastic hinges are formed in frame columns and the columns yields slightly; the frame columns which support the steel arches are almost in the elastic stage. The results indicate that the design of the structure achieves the seismic performance objectives. Keywords: inelastic time�history analysis; seismic behavior; supper�long structure 作者简介: 周定松, 高级工程师, 一级注册结构工程师, Email: zhoudingsong@163� com。 0 � 引言 成都双流国际机场 T2 航站楼大厅由大跨度钢结 构拱支承于混凝土框架上组成,属于超长大跨度混合 结构。其建筑造型复杂,平面尺度大,长度接近 500m, 宽度最大尺寸 206m。对于这种大型复杂的公共建筑, 除进行多遇地震下的抗震设计外, 还需要检查结构在 罕遇地震下的性能状况,以检验结构设计是否达到了 预定的抗震性能目标[ 1�3]。通过对结构进行弹塑性时 程分析,可以把握结构在罕遇地震作用下的受力与变 形情况,找出潜在的薄弱部位、塑性铰的分布状况及屈 服程度,以便设计中采取适当的抗震加强措施,防止关 键受力构件的失效。 1 � 分析模型及计算参数 采用 SAP2000软件对成都双流国际机场 T2 航站 楼大厅进行弹塑性时程分析,该结构的整体分析模型 见图 1。SAP2000 的杆单元为集中塑性铰模型,塑性铰 的力与变形关系采用 FEMA356[ 4] 中的规定得到, 该资 料来源于广泛的试验结果。其中混凝土塑性铰的特性 是基于混凝土截面及其配筋特性而来的, 相关参数见 图 1 � 成都双流国际机场T2航站楼大厅 SAP2000模型图 � FEMA356[ 4]中表 6�7, 6�8; 钢构件塑性铰根据截面及材 料强度得到,相关参数见 FEMA356[ 4] 中表 5�6, 5�7。 图 2 是 SAP2000中典型的塑性铰变形与力的关系 曲线。该关系由 5个点(点 A , B , C, D , E ) 确定; AB段 为弹性阶段; BC 段表示构件进入塑性状态,该段又可 分为三个阶段( IO, LS , CP ) ,对应塑性铰的可修复程度 23 图 2 � 塑性铰的广义力� 变形关系的骨架曲线 (可立即恢复、可修以及不 倒等状态) ; DE 段表示塑性 铰已进入强度退化段, 点 E 为塑性铰失效退出工作。 根据构件的受力情况, 定义 不同的塑性铰模型:混凝土 框架梁两端设置M3 铰; 混 凝土框架柱两端设置 PMM 铰。对于钢结构部分, 由于 杆件数目非常多(共计42 357根杆件) ,若设置塑性铰过 多,则在计算机上难以实现,故塑性铰主要设在受力较 大的部位:钢拱的支座部位、钢拱与混凝土框架相连部 位、钢支柱支承点附近的钢拱构件、钢拱跨中构件以及 钢支柱。对于钢拱构件两端设置 PMM铰, 以承受轴力 为主的钢支柱中部设置 P铰。计算塑性铰属性时,采 用材料强度值。 选取了四组地震波,分别是 El Centro波、蒲江五星 波 051PJW( 5�12汶川地震时记录到的)、Kobe波以及一 组人工波,对结构进行弹塑性时程分析。考虑到地面 运动的多维性,在分析中采用三向地震输入,即两个水 平方向及竖向,三维输入时地震波峰值加速度 ax ay a z 按 1 0�85 0�65 的比例进行调整。每组地震波的最 大输入峰值加速度调整为 230cm�s2( 根据!成都双流国 际机场 T2航站楼工程场地地震安全性评价报告∀, 50 年超越概率为 2%的 PGA 为 230cm�s2)。图 3为安评报 告的提供人工波加速度时程,这组波有水平分量而无 竖向分量。地震波的最大峰值加速度分别沿结构 X 向、Y向输入(结构的长向为 X 向,短向为 Y 向) ,共计 8组时程工况。罕遇地震作用时结构阻尼比取 5%。 动力弹塑性分析时,采用与刚度和质量有关的瑞雷阻 尼。时程分析的起始工况为恒载+ 0�5 活载。 图 3 � 人工波加速度时程 2 � 弹塑性动力分析 为便于分析讨论,对 T2航站楼每层顶板平面的一 些典型位置点进行了标示,见图 4,典型位置点主要是 图 4 � T2航站楼各层顶板平面及典型位置点 � 建筑的角点以及中部的点。 2�1 层间位移角计算结果 现行抗震规范[ 2] 主要是从弹塑性层间位移角来界 定结构是否倒塌的,故首先考察结构的层间位移角情 况。图 5 为El Centro波 X 主方向作用下各楼层顶板典 型位置点的层间位移角时程曲线。在 El Centro波作用 下,层 1的 X 向最大层间位移角位于结构中部的点 2, 其值为 1�378, Y 向最大层间位移角也在点 2,其值为 1� 286;层 2 的 X 向最大层间位移角在点 10,其值为 1� 268, Y向最大层间位移角在点 8,其值为 1�300;层 3的 X 向最大层间位移角在点 16, 其值为 1�209, Y向最大 层间位移角在点 17,其值为 1�210; 层 4 的 X 向最大层 间位移角在点 22, 其值为 1�216, Y 向最大层间位移角 在点 23,其值为 1�261。比较这组地震波及其他几组地 震波最大值分布位置的位移角情况可见: 各楼层 X 向 最大层间位移角通常出现在角点 (除层 1 外) , Y 向最 大位移角出现在长边的中部。分析其原因是对这种超 长结构的 X 向来说, 其楼板平面内刚度接近刚性 (除 层 2楼板外) ,位移反应在角部最大;而对 Y向,由于楼 板平面内刚度较弱,面内变形显著,在地震波作用下楼 板中部发生了相对两端的挠曲变形,导致中部的变形 大于端部的。从结构的模态图中也可观察到这种楼板 平面内振动的模态。另外从各层顶板典型点的层间位 移角时程曲线也可发现: X 向层间位移角时程较为一 致,而 Y向层间位移角时程曲线明显差异较大。需要 的是,在重力荷载作用下,钢拱对混凝土框架有侧 24 图 5 � El Centro 波 X 主方向作用下各楼层顶板典型位置点层间位移角时程曲线 � 推作用,故 Y向的层间位移角时程曲线在初始时刻 t= 0 时初始值已有不为 0的。 统计有关的数据可以得到结构在各地震波作用下 楼层最大层间位移角,具体值见表 1, 2。 X 主方向输入下最大弹塑性层间位移角 表 1 楼层 El Centro Kobe 051PJW 人工波 X 向 Y 向 X 向 Y 向 X 向 Y 向 X 向 Y 向 1 1�378 1�286 1�312 1�295 1�332 1�516 1�372 1�457 2 1�268 1�300 1�256 1�322 1�313 1�548 1�328 1�485 3 1�209 1�210 1�186 1�219 1�334 1�327 1�257 1�309 4 1�216 1�261 1�200 1�274 1�295 1�377 1�256 1�370 Y主方向输入下最大弹塑性层间位移角 表 2 楼层 El Centro Kobe 051PJW 人工波 X 向 Y 向 X 向 Y 向 X 向 Y 向 X 向 Y 向 1 1�445 1�235 1�359 1�250 1�387 1�459 1�438 1�398 2 1�324 1�245 1�289 1�274 1�359 1�491 1�364 1�440 3 1�250 1�178 1�213 1�197 1�381 1�294 1�300 1�280 4 1�254 1�230 1�231 1�248 1�335 1�334 1�308 1�356 由表 1 可见, 在 X 主方向地震波作用下,楼层 X 向最大层间位移角位于层3,其值为 1�186( Kobe波) ,小 于规范限值 1�50; Y向最大层间位移角位于层 3,其值 为 1�210(El Centro波) ,小于规范限值 1�50。 由表 2可见, 在 Y 主方向地震波作用下, 楼层 X 向最大层间位移角位于层3,其值为 1�213( Kobe波) ,小 于规范限值 1�50; Y向最大层间位移角位于层 3,其值 为 1�178(El Centro波) ,小于规范限值 1�50。 2�2 塑性铰分布情况 塑性铰的分布能让设计者直接观察结构的具体损 伤部位及程度。图 6~ 9 分别为在 Kobe波及人工波 X 主方向作用下整体结构及支承钢拱框架的塑性铰分布 图。经观察可知钢结构部分没有出现塑性铰,其在罕 遇地震作用下处于弹性状态; 混凝土框架部分的塑性 铰比较多,主要处于 B�IO 或 IO�LS 段,这些铰的性能处 于立即可用或可修的状态,大多数铰出现在梁端,符合 #强柱弱梁∃的设计准则。 特别值得关注的是支承钢拱框架柱的抗震性能, � 图 6� 整体结构的塑性铰分布图(Kobe 波, X 主方向) � 图 7� 支承钢拱框架的塑性铰分布图(Kobe 波, X 主方向) 25 图 8 � 整体结构的塑性铰分布图(人工波, X 主方向) � 图 9 � 支承钢拱框架的塑性铰分布图(人工波, X 主方向) � 这些柱所处的状态直接影响到其所支承的大跨度钢拱 的安全性。从图 7, 9 可以看到, 这些框架柱大多处于 弹性,仅有个别柱刚刚进入屈服,且这些柱进入塑性的 程度轻微。其余几组工况的塑性铰分布与此类似,支 承钢拱的框架柱均表现出基本处于弹性的状态。 此次设计的框架柱表现出良好的抗震性能,主要 是对框架柱的设计除了考虑多遇地震的影响外,还考 虑了以下因素: 1)温度变化对框架柱的影响; 2)对不同 部位的框架柱采用了不同的多点地震影响系数,计入 了行波效应对柱内力的放大; 3)对普通框架柱进行了 中震不屈服的设计,而支承钢拱的框架柱抗震等级提 高为一级,并进行了中震弹性设计; 4)支承钢拱的框架 柱按二级裂缝控制,配置了预应力筋,以有效抵抗钢拱 推力引起的巨大弯矩。通过对这些因素的考虑, 框架 柱的抗震能力得到有效提高。然而在最开始的初步设 计中没有计入以上因素对框架柱的影响, 仅按常规的 工况组合进行设计,随后的弹塑性时程分析表明虽然 楼层最大层间位移角满足规范# 不倒∃的要求, 但底层 框架柱普遍屈服,有部分柱进入 CP 段,达到难以修复 的状态,显然对这种大型公共建筑来说是一种难以接 受的性能状态。在施工图设计阶段, 对框架柱的设计 考虑了以上诸多因素的影响, 框架柱的抗震能力得到 明显改善,在罕遇地震作用下表现出良好的性能。 3 � 结论 ( 1) 在罕遇地震作用下, T2 航站楼的钢筋混凝土 框架最大层间位移角小于 1�50,满足现行规范的要求。 ( 2) X 向最大位移角通常出现在建筑的角点, Y 向最大位移角出现在长边的中部, 超长结构在地震波 作用下楼板平面内变形显著。 ( 3) 大跨度钢结构构件未出现塑性铰, 处于弹性 状态。 ( 4) 混凝土框架的塑性铰主要出现在框架梁端, 少数框架柱出现塑性铰,这些塑性铰大部分处于 B�IO 段,或 IO�LS 段,属于立即可用或可修复状态范围,结 构的刚度、承载力没有明显下降。 ( 5) 支承钢拱的框架柱基本处于弹性状态, 具有 良好的抗震性能。 参 考 文 献 [ 1] 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[ S] . 2006. 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