32层装配式剪力墙结构试点工程的抗震分析

　　0、引言

　　预制装配式建筑是工业化建筑的重要形式，由于其具有显著的经济、社会和环境效益，因此在我国建筑工业化进程中扮演重要角色。经过我国学者多年的努力，装配式剪力墙的连接技术有了较快的发展，基本能够满足装配式结构的连接要求。在此背景下，海门市中南世纪城96号装配式剪力墙住宅楼开始设计建设。该工程作为国家十二五科技支撑计划：装配式建筑混凝土剪力墙结构关键技术研究的试点工程，是我国首次建造95.4米高的装配式剪力墙结构住宅楼，在我国建筑工业化进程中具有里程碑的意义。

　　由于楼层层高超出了江苏省《预制装配整体式剪力墙结构体系技术规程》DGJ32/TJ125-2011中关于“抗震设防烈度为6度和7度地区的I、II类场地，层数不超过12层的预制装配整体式剪力墙结构，可按照本规程进行结构设计”规定。因此需要对本工程进行专门的结构抗震设计分析。

　　1、ABAQUS有限元模型

　　1.1ABAQUS有限元模拟步骤及数据文件

　　ABAQUS有限元软件的CAE模块虽然集成功能较多，但无法实现结构构件的规模化复制，建筑结构的建模过程较为复杂。前期对ABAQUS与SAP2000以及ABAQUS与SETWE的模型接口进行过研究，并形成了较为成熟的软件接口，但是该类接口仍需要采用SAP2000及PKPM对整体结构进行建模前处理，无益于减少前处理工作量。因此，通过ABAQUS有限元软件原理的学习，提高其建模效率是非常必要的。

　　1.2层组装建模算法

　　层组装建模的核心算法为：通过节点的坐标匹配，替换上下楼层中的重复节点以实现模型在接触面处的节点共用，从而完成结构层模型在几何上的叠加组装，并通过INP文件中Nset，ELset以及Shell，Beam等集和截面数据的运算实现构件属性的复制。

　　图1为层组装建模程序算法框图。该算法包括九部分：初始数据读取、下层节点数据处理、上层节点数据处理、下层单元数据处理、上层单元数据处理、下层集与截面数据处理、上层集与截面数据处理、模型后续数据处理以及数据格式化输出按照图1的程序计算方法编制Python程序，实现两标准层的结构模型的组合拼装。

　　对于多层及高层结构，可通过编写外部循环程序，直接调用该方法即可实现整体结构的快速建模。

　　2、32层装配式剪力墙结构试点工程的动力时程分析

　　2.1工程概况

　　试点工程为江苏省南通市海门中南世纪城3.5期96号楼，该楼地下2层、地上32层，总高度为95.4m，总建筑面积为28036.9m2，是一幢地上5层以下采用现浇剪力墙结构，5层及以上采用装配式剪力墙结构的高层建筑结构。该楼设计使用年限为50年，安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，抗震等级为三级。主体部分为单轴对称结构，结构平面图如图3所示。

　　2.2有限元模型

　　本文通过ABAQUS的CAE模块，对该工程11个标准层进行建模，整体模型如图4所示。该模型中墙板混凝土本构采用ABAQUS自带的混凝土损伤模型，梁本构采用清华大学陆新征提出的纤维梁模型：PQ-fiber，墙板单元采用S4R多层壳单元，梁单元采用B31单元。梁钢筋采用外接程序，在INP文件中加入*REBAR命令进行模拟。

　　2.3ABAQUS模型模态分析结果

　　ABAQUS计算得到的前6阶周期结果见表1，第一和第二振型为一阶平动，第三阶振型为一阶扭转，第四和第五阶振型为二阶平动，第六阶振型为二阶扭转。ABAQUS模型中第一阶扭转振型的周期与第一阶平动周期之比为0.71，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中3.4.5条关于第一阶扭转振型的周期与第一阶平动周期之比不超过0.85的规定。另外，ABAQUS模型的周期计算结果表明，结构第一振型周期大于第二振型周期，表明该结构向刚度大于Y向刚度，这是由于剪力墙主要存在于X方向，而Y向剪力墙墙肢较短，多为短肢剪力墙所致。

　　2.4弹塑性动力时程分析结果

　　根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的要求，选用NorthRidge、WhiteNarrow和上海人工波进行罕遇地震动力时程分析。最大峰值加速度应为1.25m/s2，地震波强度按X:Y=1:0.85和X:Y=0.85:1施加，其计算分析结果如表3和表4所示。

　　图5分别为三条地震波作用下结构弹塑性层间位移角、楼层侧移曲线。结构X方向的最大平均弹塑性层间位移角为1/432，Y方向的最大平均弹塑性层间位移角为1/499。结构X、Y向层间位移角均未超出《建筑抗震设计规范》GB50011-2010限值：1/120，剪重比满足规范要求。

　　结构总输入能、阻尼耗能、塑性变性能与弹性变性能时程曲线如图7所示。总输入能和弹性变性能随着时间增大而振荡增加，说明该结构在6度区大部分构件仍处于弹性阶段。阻尼耗能随时间增大而增大，塑性变形能是当地震波加速度达到一定程度时才产生，随时间增大而梯度增大，说明结构在地震作用下产生的塑性变形能维持一段时间，直至地震作用使结构产生新的塑性变形才有能量耗散。

　　能量耗散主要依靠结构本身的阻尼和塑性变形进行耗能，而塑性变形能引起结构的混凝土损伤，为分析结构耗能值和混凝土损伤分布情况，NorthRidge地震波(X:Y=1：0.85)作用下下塑性变形能在结构楼层的分布情况见图8。由图8可知，底层塑性变形能高于其他楼层，说明底层损伤程度最大，底部几层耗散了大部分地震输入能量，因此设计时应当重视底部楼层的抗震构造措施；其他楼层塑性变形能分布比较均匀，耗能相差不大。

　　3、结论

　　本文通过采用层组装建模方法对海门市中南世纪城96号楼结构模型进行模态分析、2组罕遇地震波和1组人工波作用下的动力弹塑性时程分析，得出以下结论：

　　(1)层组装建模方法的能够实现ABAQUS有限元模型的快速建模；该方法能够直接采用ABAQUS软件CAE模块对整体结构的标准层进行建模，通过编程实现标准层的组装。能够有效减少建模前处理工作量，并且该方法可直接对楼层INP文件的集(Nset和Elset)进行复制，便于后续计算结果的处理。

　　(2)模态分析表明，该结构前两阶振型以平动为主，第三阶为扭转，表明该结构整体布局合理，不存在严重的扭转现象。

　　(3)动力弹塑性时程分析结果表明，该工程在罕遇地震下的层间位移角均满足相关规范及规程的要求，其结构布置较为合理，能够满足结构抗震需要。

　　(4)该结构在罕遇地震作用下，结构发生塑性变形，阻尼耗能和塑性耗能耗散了大部分的地震能量输入；而结构耗能的楼层分布情况表明：结构主要由底部楼层耗散地震输入能。因此该工程底部4层采用现浇结构进行加强，5层以上采用全预制剪力墙结构合理可靠。

　　参考文献：
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