填充墙刚度影响的实测高层建筑增量动力分析

CHINAEARTHQUAKEENGINEERINGJOURNAL

地 震 工 程 学 报

Vol.40 No.5

,Oct.2018

issn.1000-0844.2018.05.883

]::/周云,裴熠麟,周祎,等.填充墙刚度影响的实测高层建筑增量动力分析[地震工程学报,J.2018,40(5)883-0.doi10.3969.j

[],,()::/StiffnessJ.ChinaEarthuakeEnineerinournal2018405883-0.doi10.3969i.ssn.1000-0844.2018.05.883qggJj

,,,ZHOUYunPEIYilinZHOUYietalI.ncrementalDnamicAnalsisofHih-riseBuildinsConsiderintheInfluenceofInfilledWallyyggg

填充墙刚度影响的实测高层建筑增量动力分析

22

,裴熠麟2,周 祎2,方 亮2,易伟建1,周 云1,

(,湖南长沙4工程结构损伤诊断湖南省重点实验室(湖南大学)1.10082;

)湖南大学土木工程学院,湖南长沙42.10082

对建筑结构的摘要:高层结构中的填充墙在地震作用下与周围结构构件之间的相互作用十分复杂,

整体抗震性能具有较大影响。然而我国规范在设计阶段通常不考虑填充墙对结构抗震性能的影响,统一采用周期折减系数来考虑其刚度变化引起的内力变化,因此准确评估填充墙对结构抗震性能的影响具有重要意义。本文在对一栋框剪结构和一栋剪力墙高层建筑进行随机振动测试的基-础上,利用Perform-3D对每栋高层分别建立了3种分析模型。其中对未考虑填充墙作用的结构模型,分别采取规范建议值和实测结果值两种方式进行周期折减。对通过添加斜撑单元来考虑填充墙作用的结构模型,利用环境激励测试识别获得的结构模态信息进行模型修正。对该3种模型进行了增量动力分析,探讨潜在危险性水平地震作用下填充墙对高层建筑抗震性能的影响。结果表明,填充墙增加了结构在弹性阶段的整体初始刚度,但随着地震动强度的增加逐渐丧失对结构刚度的贡献作用。相比考虑了填充墙作用的模型计算结果,规范建议的周期折减系数较为保守。同时研究发现,填充墙对高层框剪结构的影响程度要比剪力墙结构大。-关键词:高层建筑;模型校验;填充墙;抗震性能;增量动力分析:/DOI10.3969i.ssn.1000-0844.2018.05.883j

()中图分类号:TU398+.9 文献标志码:A 文章编号:1000-0844201805-0883-08

IncrementalDnamicAnalsisofHih-riseBuildinsyygg

ConsiderintheInfluenceofInfilledWallStiffnessg

1222212

,,,ZHOUYunPEIYilinZHOUYiFANGLianYIWeiiang,j

,

,

(1.HunanProvincialKeaboratoramaeDianosisorEnineerintructures,yLyofDggfggS2.ColleeoivilEnineerinunanUniversitChansha410082,Hunan,China)gfCgg,Hy,gHunanUniversitChansha410082,Hunan,China;y,g,surroundintructuralcomonentsunderseismicactionandthisinteractionexertsagreatinflu-gsp,enceontheseismicperformanceofthestructure.Thereforeaccurateevaluationoftheinfluence

:AbstractAcomlicatedinteractionexistsbetweentheinfilledwallofhih-risebuildinsandthepgg

收稿日期:2018-03-31

);国家重点研发计划专项项目(;湖南省重点研发计划项国家自然科学基金项目( 基金项目:51178175,5187822016YFC0701400),周 云(男,博士,副教授,主要从事大型结构静动力测试与结构识别方面的研究。 第一作者简介:1979-)

:E-mailzhouun05@126.com。y

);长沙市科技计划项目()目(2017SK2223k1706019q

884地 震 工 程 学 报 2 018年

ofinfilledwallsontheseismicperformanceofstructuresiscrucial.Basedontheresultsofran-,domvibrationteststhreetesoffiniteelementmodelsarebuiltusinerform-3Dforahih-ypgPg

riseframe-shearwallstructureandahih-riseshearwallstructure.Formodelsthatdonotcon-g

,sidertheinfilledwalltheperiodreductioncoefficientbheestablishedsecificationisem-ytpofinfilledwallsontheseismicperformanceofastructureundertheactionofanearthuakewithqloed.Incrementaldnamicanalsisisimlementedonthethreemodelstodiscusstheinfluencepyyyp

otentialhazard.Thecalculatedresultsrevealthattheinfilledwallcanstrenthentheinitialstiff-pg

,nessofthestructureintheelasticstaebutthiscontributiontodecreaseswithincreasinroundgggmotionintensit.Theperiodreductioncoefficientsuestedbheestablishedsecificationisyggytpmoreconservativecomaredwiththeanalsisresultsobtainedfromtheproosedmodelconsider-pyp

inheinfilledwall.Findinsalsoindicatethattheinfluenceofinfilledwallsonhih-riseframe-gtgg

dnamicanalsis(IDA)yy

shearwallstructuresisgreaterthanthatonshearwallstructures.

:;m;;;Kewordshih-risebuildinodelvalidationinfilledwallseismicperformanceincrementalggy

激励测试,利用模态参数识别结果对有限元模型进行模型校验。并采用IDA计算方法分析该高层建筑的抗震性能,讨论潜在危险性水平地震动作用下填充墙对结构反应的影响。

0 引言

填充墙作为一种非结构构件,在地震作用下发生开裂后强度和刚度会随之降低,并造成周围结构构件开裂及局部滑移,导致二者接触长度发生变化。高层建筑中的填充墙对结构整体抗震性能的影响较大,然而我国规范在设计阶段通常不考虑填充墙与结构构件之间复杂的作用关系,统一采用周期折减系数来综合考虑因填充墙刚度变小所引起的内力变化。

目前众多高层建筑的现场随机振动测试结果

1-2]

,表明[高层建筑分析模型的基本周期通常与实

1 IDA计算原理

记录,每条地震动记录通过乘以一系列比例系数,调幅成一组具有不同强度的地震动,并分别施加于结构上进行动力时程分析。通过选取合适的地震动强(,,绘制IenineerinemandparametersEDP)DAggd曲线。常用的I峰值速度、峰值M指标有峰值位移、加速度、加速度反应谱等,常用的EDP指标有结构顶点位移、最大基底剪力、最大层间位移角、楼层最大延性等。该方法现已被许多学者广泛应用于结构

]5-8

。抗震性能评估中[

IDA分析是指对结构施加一个或多个地震动

,度参数(和结构性能参数intensiteasureIM)ym

测结构存在一定差异,这大多是在设计过程中对填充墙等非结构构件的忽略或者不恰当建模所导致的。该差异可能导致无法对结构性能做出准确评估。而结构在大震作用下往往会进入非线性阶段,且填充墙随着自身破坏加剧,其刚度也会逐渐降低,因而有必要对真实情况下的结构非线性性能进行研究。由于传统时程分析方法仅能获取特定地震动记录下结构的受力和变形,无法分析因地震动参数变化导致的结构反应随机性影响,因此评价潜在危险性水平地震下填充墙对高层结构的影响尤为必要。

,以弹塑性时程分析为基础,能综合反映结sisIDA)

构因地震动强度变化而历经的弹性、弹塑性直至坍塌的破坏全过程,有效弥补了单一时程分析对结构

]3

。本文基于结构识别的概性能评估的不确定影响[

4]

,念和基本理论[对两栋高层建筑进行了环境振动

如下:

基于IDA方法的结构抗震性能分析计算步骤

()建立可靠的结构弹塑性分析模型;1

增量动力分析(IncrementalDnamicAnal-yy

9]

,分析。研究表明[10~20条地震动记录能够对结

()依据规范要求选取一系列地震动记录进行2

构抗震性能做出精确评估。同时,选取合适的IM和EDP指标;

()针对每条记录进行地震动强度单调调幅,3

计算该输入下结构的动力反应。将得到的第一个

其与原点连线的斜率记为EDP-IM性能点记为Δ1,继续计算下一个调幅地震动记录下结构的动力Ke;

反应,得到第二个性能点并记作Δ2。若该点与前一性能点连线斜率大于0.则继续计算下一调幅2Ke,地震动记录下的性能点,直至Δi与Δi1连线斜率小-于0.2Ke;

()变换原始地震动记录,,重复步骤(得到43)结构的IDA曲线簇;()对I并结合所定5DA曲线簇进行统计分析,义的性能水平对结构抗震性能进行评估。

885第4等:填充墙刚度影响的实测高层建筑增量动力分析 0卷第5期 周 云,

南大学土木工程结构健康监测研究团队从200多栋新建高层建筑中选取了10栋百米左右的钢筋混凝土结构进行随机振动测试,通过采用工作模态分析等相关技术,对其模态参数进行识别。待测对象均为施工完成但尚未交房的民用住宅楼,无家具等设备,因此不考虑活荷载对结构质量的影响。每栋高层建筑均配有核心电梯筒,基础类别为人工挖孔桩,抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为析,结构信息及测试情况详见图1。

2 高层振动测试

基于广西来宾高层建筑随机振动测试项目,湖

设计地震分组为第一组,0.05Ⅱ类场地。本文选g,

取了框架剪力墙结构和剪力墙结构各1栋进行分-

Fi.1 Planlaoutofthetestedbuildinsgyg

图1 测试高层及平面布置图

实际结构在环境激励下的响应十分复杂。为减

少因认知不确定性而造成的模态缺失或虚假模态,,tificationSSI)和复模态指示函数法(Comlexp

,进行模态参数识ModeIndicatorFunctionCMIF),进行前处理。使用上述方法对模态参数lationCC)

10]

,识别结果进行相互验证及补充[从而获得更加完

、剪力墙结构取值0通常认0.8.8~1.0具有一定差距,

为是填充墙这类非结构构件导致的。因此,拟建立考虑填充墙刚度影响的有限元模型,讨论潜在危险性水平地震作用下填充墙对结构抗震性能的影响。

通过采用随机子空间法(StochasticSubsaceIden-p

别,其中CMIF法采取互相关函数法(CrossCorre-备的结构动力特性,详见表1。通过对比发现2栋

3 有限元模型建立及修正

3.1 非线性模型建立

在进行IDA分析时需对模型进行多次弹塑性时程分析,准确的弹塑性分析是保证计算结果合理性的关键所在。本文选用Perform-3D软件对结构进行非线性分析。

]12

过吴晓涵[研发的NosaCAD将模型导入至Per-其中Nform-3D中进行完善和处理,osaCAD在转

与高层结构设计规程(0.39与0.35~0.44之间,JGJ3-[11]

建议框剪结构周期折减系数取值0.2010)-7~

高层周期实测值与设计值的比值范围分别在0.31~

在P通KPM中对高层建筑进行建模和计算后,

)表1 测试高层前三阶周期识别结果(单位:s

:)thetestedbuildins(Unitsg

Table1 Identificationresultsofthefirstthreeperiodsof

测试高层北岸雅阁2#

模态计算CC+CMIF设计值SSISSI

1st

2nd

3rd

换过程可自动生成P曲率模型和erform-3D中弯矩-结构质量根据抗震分析要求的质量WE导荷结果,

模式进行转化。为提高计算效率,假定楼板无限刚

1.2451.1223.5371.4331.2943.707

1.2451.1253.3111.5723.620-

1.2271.1222.6281.6003.167-

纤维模型所需的大部分参数。荷载工况采用SAT-性。在Perform-3D中建立了3种弹塑性分析模型,详见表2。其中Model1采用设计模型对填充墙的考虑方式,即未直接对填充墙进行建模,而是采用规

金穗小区3#CC+CMIF设计值

范建议值进行周期折减。Model2则采用周期实测结果与设计结果的比值作为折减系数。Model3通过添加斜撑单元对填充墙进行模拟,并利用实测的结构模态信息对有限元模型进行修正。

886地 震 工 程 学 报 2 018年

表2 有限元模型信息

Table2 Informationofthefiniteelementmodels

模型填充墙质量

填充墙刚度周期折减Model1考虑不考虑规范建议值M考虑不考虑实测值Mooddeell23

考虑

斜撑模型

不折减

在由中部弹性区段和端部弹塑性区段构成Perform-3D模型中,

梁柱采用塑性区模型,即。墙体采用通用墙单元,连梁单元通过添加剪切铰来考虑剪切刚

度的非线性影响。根据文献[13]建议,对填充墙采用

单杆斜撑模型进行模拟,并定义如图移关系,该图能够较好地表达填充墙非线性行为所需2所示的力-位的必要特性参数,如初始刚度、峰值强度及峰后强度等。采用5%的模态阻尼和0.2%的瑞利阻尼。

图Fig.22 D 斜撑模型及荷载iagramofthediag

-

位移曲线示意图load-disp

lacementcuornvaelstrutmodeland.2 模型修正

在对实际结构进行模态分析后,利用正问题试算方法调整填充墙初始弹性模量,对有限元模型进行修正,并通过最小二乘法寻找与前十二阶实测周期最为匹配的计算周期。进一步通过参数计算得到合适的填充墙骨架曲线。以金穗小区3#为例,由图4可知,不同弹性模量的填充墙均会产生

、参数调整过程详见图34。

对应的骨架曲线。当弹性模量发生约的变化时,填充墙的初始刚度将发生约16%~20%的增减,并相应影响到整条骨架曲线。

15%~35%图Fig.3 C3 不同填充墙弹性模量下周期对比

dioffmerpeanritseolnbastiecmtweoednutlhuensofatiunrfailllep

dwerioadll

sunder图Fig.4 Adj

ustme4nt 填充墙骨架曲线调整

fortheskeletoncurvesofinfilledwall 基于IDA的抗震性能评估

.1 地震动选取

不同的地震动记录下的结构响应往往离散性较大。为获取具有相同特征的地震动记录,根据现行

中国建筑抗震设计规范(与建筑结构地震破坏密切相关的地震动三要素GB50011-2010

)[14

]要求,以(频谱特性、有效峰值和持续时间)为依据,在太平洋地震工程研究中心eeeringResPEER(,PacificE://arthquakeEng

i-的双频段控制选波方法与设计反应谱进行匹配y

.edu)中进行地震波初选earchCenterht,tp并参考杨傅等ng

awest2[.1b5e]

r提出ke-,再输入至PKPM模型中进行批量计算,选取基底剪力满足规范要求的地震动记录。本文选取了震动记录进行IDA计算,设计反应谱与所选地震动15条地的加速度反应谱详见图5。

443nl887第4等:填充墙刚度影响的实测高层建筑增量动力分析 0卷第5期 周 云,

4.2 IDA分析结果

本文选取结构基本周期对应的加速度反应谱

分别0.10.05g作为初始调幅步长,g作为步长增量,

对两栋高层建筑的三类模型进行了I并变DA分析,换地震动记录,得到IDA曲线如图6所示。

考虑到I需对IDA分析结果的离散性,DA曲

作为I选用楼层最大层间位移Sa(T1,5%)M参数,角θma以DP参数。采用变步长法计算方式,x作为E

线簇进行统计分析。假定其均服从对数正态分布,

Fi.5 Resonsesectraofselectedseismicwavesgpp

anddesinresonsesectrumgpp

图5 所选地震波反应谱及设计反应谱

并按IM统计方式得到16%,50%和84%分位曲线,以标准差对数形式表达结构反应的离散程度,统计分析结果详见图7。

Fi.6 CalculationIDAcurvesg

图6 IDA计算曲线簇

888地 震 工 程 学 报 2 018年

Fi.7 PercentileIDAcurvesg

图7 IDA分位曲线簇

4.3 抗震性能评估

基于性能的抗震设计通过设计多层次的抗震目标,可保证不同风险地震动作用下的结构安全及个性化需求。其关键在于对结构性能进行正确分析与评价,据此来检查结构设计的合理性,以及是否需要进一步优化。破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌四种不同破坏状态下的层间位移角限值,对抗震性能水平进行量化,见

[6]

本文依据HA定义的结构在处于轻微ZUS1

表3所列。

表3 不同破坏状态下的量化指标限值

轻微破坏0.002

中等破坏0.005

严重破坏0.015

倒塌0.04

Table3 Thelimitsofquantitativeindexunderdifferentdamaestatesg

性能水平指标限值

根据上述定义的性能水平及量化限值,对两栋高层结构在三种不同计算方式下的IDA曲线进行评估分析,详见图8。

8第4等:填充墙刚度影响的实测高层建筑增量动力分析 0卷第5期 周 云,

Fi.8 MeanIDAcurvesanddamaeperformanceclassificationgg

图8 IDA均值曲线及破坏性能划分

经对比发现,Model1始终处于Model3的包络在抗震设计阶段,若对结构基本周期进行进一步折减,其计算结果也偏于安全,尤其在结构发生严重破

线之中,表明规范建议的周期折减系数值偏于保守。模型,发现填充墙在线性阶段会增加结构的整体初始刚度。但随着地震动强度的增强,填充墙的破坏程度随之加大,逐渐丧失对结构刚度的贡献作用。同计算方式下分析结果的离散程度,发现填充墙对框剪结构的影响程度要比高层剪力墙结构大,在结-构设计阶段应加以区分考虑。)参考文献(References

()对比高层框架剪力墙和剪力墙结构在不4-

()对于经校验的考虑填充墙作用的高层分析3

坏之前。同时,北岸雅阁2#中Model1与Model3的加速度反应谱离散程度与金穗小区3#相比较大,表明填充墙对框剪结构的影响程度比剪力墙结-构大。

5 结论

本文基于广西来宾高层建筑随机振动测试项目,对一栋高层框剪结构和一栋剪力墙结构分别建-立了3种有限元模型。其中对未考虑填充墙作用的模型分别采取两种周期折减方式,对考虑填充墙作用的模型利用实测模态信息进行模型修正。在讨论了潜在危险Perform-3D中进行了IDA分析,性水平地震作用下填充墙对高层结构抗震性能的影响。结论如下:

试识别的结构模态信息与设计模型相比存在一定差异,通常认为是设计阶段对填充墙的考虑和计算方式导致的。因此需对结构真实情况下的抗震性能展开研究。

模型,并进行了I我国现DA分析。计算结果表明,行设计规范建议的周期折减系数偏于保守。抗震设计过程中若对结构基本周期进行足够折减,其计算结果也偏于安全,尤其是在结构未发生严重破坏之前。

()设计了3种考虑填充墙刚度影响的有限元2

()对两栋高层建筑进行了环境振动测试,测1

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