文化艺术中心时程分析改

11结构计算分析及抗震性能目标分析1.1主要结构计算软件弹性阶段计算采用中国建筑科学研究院编制的建筑结构空间有限元计算分析软件SATWE，作为结构设计、计算主要依据。采用中国建筑科学研究院编制的建筑结构设计软件PMSAP及北京迈达斯技术有限公司的MIDAS/Gen(V7.9.5)进行对比校核分析。弹塑性阶段计算采用北京迈达斯技术有限公司的MIDAS/Gen(V7.9.5)进行弹塑性静力推覆（Pushover）计算。1.2多遇地震（小震）作用下的弹性计算分析及抗震性能目标分析1.2.1弹性计算结果及分析采用SATWE和PMSAP、MIDAS/Gen计算程序计算的结果如表1.2.1.1所示。表1.2.1.1SATWE/PMSAP/MadisGen弹性计算结果简表计算内容SATWEPMSAPMadisGen规范限值周期（秒）（x平动+y平动/扭转%）T11.1682（0+100/0）0.9463（0+100/0）1.3505(0+100/0)T21.0961（100+0/0）0.9199（90+1/9）1.2611(100+0/0)T31.0040（0+3/97）0.8183（8+2/90）1.1573(0+0/100)Tt/T10.85940.86470.8569≤0.90楼层最大层间位移角（所在楼层）X向地震1/692(2)1/687(2)1/583(2)1/550Y向地震1/636(2)1/758(5)1/590(2)X向风1/5132(2)1/5018(5)1/4921(2)Y向风1/7285(2)1/9252(5)1/7113(2)最大位移/层平均位移X向地震1.24(1)1.26(1)1.34(1)宜≤1.2，应≤1.5Y向地震1.09(4)1.24(1)1.11(4)最大层间位移/平均层X向地震1.25(3)1.37(4)1.35(1)≤1.5间位移Y向地震1.16(4)1.29(4)1.14(4)有效质量系数（%）X向地震100.00100.00100.00≥90%Y向地震100.00100.00100.00最小楼层剪重比(%)X向地震6.657.2655.8≥2.4%Y向地震6.267.4965.4整体稳定验算（刚重比）X向40.9984.8137.48＞10整体稳定；＞20可不考虑重力二阶效应Y向35.6386.0633.63本层与上层抗剪承载力比值的最小值（所在楼层）X向0.73(5)0.94(5)0.91(5)不应＜65％Y向0.96(5)0.93(5)0.79(5)地震作用下底层剪力(kN)X向41196.714699941055.8Y向38601.034855938564.6地震作用下底层弯矩(kN·M)X向837305.12840911816674.8Y向789048.88861040766349.6结构总质量（吨）63724.82863760.164864.7根据SATWE、PMSAP和MIDAS/Gen的弹性计算结果可知：结构沿主轴方向振动形式相近，结构振型、周期、位移形态和量值在合理范围；结构地震作用沿高度的分布合理；有效质量参与系数、楼层剪重比、位移角、位移比等指标均满足规范要求。1.2.2弹性动力时程计算结果及分析采用SATWE进行多遇地震作用下的弹性动力时程计算。地震波总共选取了3条波，其中2条波为天然波，1条为人工波，按场地类别Ⅱ类，特征周期为0.45s。天然波（TH2TG045、TH3TG045）最少持续时间为40s，人工波（RH2TG045）最少持续时间为30s，均大于5倍结构基本周期。1、地震波选取及合理性判断三条地震波及振型分解反应谱法计算的结构底部总剪力关系如图1.2.2-1所示，规范谱和地震波谱对比图如图1.2.2-2所示。具体弹性动力时程分析结果如表1.2.2-1所示。2图1.2.2-1TH2TG045/TH3TG045/RH2TG045结果图1.2.2-2规范谱与地震波谱对比图表1.2.2-1具体弹性动力时程分析结果波形TH2-TG045TH3-TG045RH2-TG045平均值规范反应谱比较结果地震波持续时间404030时间间距0.020.020.02X向最大层间位移角1/7371/9201/9941/8701/583Y向最大层间位移角1/7071/7081/8271/7721/590X向底层剪力（kN）38827.832615.028133.033191.941196.780.1%Y向底层剪力（kN）35827.530930.529308.632022.238601.083.0%X向底层弯距（kN·m）734314.2594661.8551968.1626981.4837305Y向底层弯距（kN·m）693235.7615370.4558559.2622388.4789049注：比较结果指时程分析底部剪力平均值与反应谱底部剪力比。根据上图并结合数据分析可知：每条时程曲线计算所得的结构底部总剪力均不小于按振型分解反应谱法（CQC法）计算所得的65%，三条时程曲线计算所得的结构底部总剪力的平均值不小于按振型分解反应谱法（CQC法）计算所得的80%；并且三组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差均小于20%。地震波的选取满足规范要求。2、计算结果分析三条地震波计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的关系如图1.2.2-3~1.2.2-5所示。3图1.2.2-3层间位移角结果图1.2.2-4剪力结果图1.2.2-5弯矩结果根据上图分析可知：弹性动力时程计算的结果均小于振型分解反应谱法的计算结果，各项指标验算也满足规范有关要求。振型分解反应谱法的计算结果曲线在结构高度方向的大部分范围内均明显大于三条地震波对应的平均计算结果，但在顶部二者接近，说明在采用振型分解反应谱法进行结构设计时，宜考虑高振型对结构顶部带来的不利影响。在进行施工图设计时，对顶部结构做了适当加强。综上所述，弹性动力时程计算分析表明：本工程采用SATWE程序按振型分解反应谱法计算，其结果偏于安全，满足规范要求。1.2.3多遇地震作用下抗震性能目标分析结论（综合SATWE/PMSAP/MIDAS结果）1、弹性计算分析结果表明，本项目的控制工况为地震作用组合。2、本项目采用SATWE、PMSAP和MIDAS/Gen三个程序进行弹性计算的结果是可信的，未出现原则性冲突或矛盾的结果，说明结构体系、结构布置与构件尺寸基本合理。3、周期比、位移角等各项指标均符合相关规范要求。计算结果表明，在多遇地震（小震）作用下，所有竖向构件及框架梁全部保持弹性，全部构件的抗震承载力、各项水平位移限值和舒适度满足规范有关要求。结构一般不受损坏或不需修理可继续使用。结构在多遇地震（小震）作用下能达到预期的性能目标。41.3罕遇地震（大震）作用下的弹塑性计算分析及抗震性能目标分析1.3.1罕遇地震作用下框架柱截面抗剪承载力验算罕遇地震（大震）作用下框架柱截面抗剪承载力的验算采用SATWE等效弹性方法计算，该方法分析结果偏于安全。罕遇地震（大震）作用下底层主要框架柱（以剧院范围为例）的截面抗剪承载力验算如表1.3.1.1，其抗剪承载力均满足要求。表1.3.1.1主要框架柱抗剪承载力验算框架柱编号VGE+V*EK（kN）fCK（N/mm2）b（mm）h0（mm）0.15fCKbh0（kN）VGE+V*EK≤0.15fCKbh0KZ36284.923.4100010003510满足KZ39217.823.4100010003510满足KZ40923.923.4175010006142.5满足KZ41372.323.4100010003510满足KZ42322.523.4100010003510满足KZ46275.923.4100010003510满足KZ52305.923.4100010003510满足注：框架柱编号详施工图A11~A12。1.3.2结构静力弹塑性分析1.3.2.1分析方法采用MIDAS/Gen（Ver.7.9.5）进行结构静力弹塑性分析（Pushover分析），在MIDAS/Gen中使用FEMA-273（1997）和ATC-40（1996）提供的能力谱法来对建筑物的抗震性能进行评价。FEMA-273是美国FederalEmergencyManagementAgency对于建筑物结构以其性能表现为基准的抗震评估方法，主要目的是为了对建筑物抗震和加固提供一套分析方法和标准。它依照不同的地震等级与建筑物性能表现等级制定出不同的修复目标。建筑物的性能等级则代表建筑物遭受地震后可维持的功能，共分4级，正常使用，可立即使用（IO），生命安全（LS），建筑物不倒塌（CP）。ATC-40采用承载力谱法，先建立5%阻尼的线弹性反应谱，再用能量耗散效应降低反应谱值，并以此估计结构的非线性位移。Pushover分析是评价结构的变形性能的方法之一，分析后会得到如图1.3.2.1所示的荷载－位移能力谱曲线。根据结构耗能情况会得到弹塑性需求谱曲线。两个曲线的交点就是针对该地震作用结构所能发挥的最大内力以及最大位移点。当该交点在目标性能范围内，则表示该结构设计满足了目标性能要求。Pushover分析完成后，可根据反应谱评价结构的性能，可观察各荷载工况下结构各阶段的变形形状，结构各薄弱部位的塑性发展顺序及塑性铰发生状态。对关键部位在性能点处的性能进行评价，针对局部薄弱环节进行加强；可检验结构各个杆件是否超过弹塑性极限状态，是否满足大震不倒的要求。在大震作用下，根据性能点时的结构变形，评价结构层间位移角是否满足规范规定的弹塑性层间位移角限值；由结构塑性铰的分布，判断结构薄弱位置，根据塑性铰所处的状态，检验结构构件是否满足大震作用下性能水准的要求。5%SmoothElasticDesignSpectaPerformancePointDemandSpectrumCapacitySpectrumSpectralDisplacementSpectralAccelerationSaSdDdesign图1.3.2..1使用基于位移的设计方法评价结构的耐震性能1.3.2.2非线性计算模型Midas/Gen提供框架杆单元、膜单元、板单元、三维实体单元等多种基本单元，以模拟实际结构中的梁、柱、斜撑、剪力墙、楼板等构件。Midas/Gen为进行静力弹塑性分析提供的模拟构件非线性本构关系的模型有：2D——梁单元、3D——梁柱单元、3D——墙单元及桁架单元。本次计算采用的非线性梁柱单元和墙单元的节点力和节点位移如图1.3.2.2和图1.3.2.3所示：5图1.3.2.22D-梁单元和3D-梁-柱单元的节点力和节点位移图1.3.2.33D墙单元的节点力和节点位移本次计算采用MX—MY关系来模拟梁在截面2个方向的弹塑性弯矩—转角关系，3维单元P—MX—MY关系来模拟柱的轴力—弯矩弹塑性本构关系；3维墙单元的轴力—弯矩及剪切关系来模拟墙的3维弹塑性本构关系。计算过程中Midas/Gen根据计算的各构件截面、材料特性和配筋情况，计算出各构件的上述非线形本构关系。本次计算采用了FEMA273提供的塑性铰本构关系，FEMA273用本构关系中的多个关键点对构件的塑性铰本构关系，FEMA273用本构关系中的多个关键点对构件的塑性铰状态进行了不同阶段的描述。在图1.3.2.4中，B点表示构件本构关系进入塑性，塑性铰开始出现。C点表示构件承载力极限点。在B点和C点之间又分为三种状态：IO——即刻使用极限状态；LS——安全极限状态；CP——防止倒塌极限状态。C点之后，构件被认为只剩下残余承载力。本子项1#楼主楼的性能目标对应上述屈服状态如下：“小震不坏”对应A-B弹性段，即小震阶段不出现塑性铰；“中震可修”对应B-LS屈服状态段，即不出现LS屈服状态塑性铰；“大震不倒”对应LS-CP屈服状态段，即不出现CP屈服状态塑性铰。本次计算所使用的材料力学性能均根据我国《钢筋混凝土结构设计规范》提供的有关数据。IO=即刻使用极限状态