本文算例采用的是新型结构体系:模块-核心筒混合结构。体系中的模块采用钢密柱体系, 主要承担竖向荷载;核心筒为混凝土结构, 按承担全部水平作用考虑, 并承担自重, 为单道防线, 故核心筒的抗震性能极为关键。

此预制集成建筑模块体系在欧洲已投入工程应用多年, 技术成熟度较高, 整体可实现在工厂完成80%以上的主体结构组装和90%以上的部品安装, 建设工期比传统建筑工艺工期缩短一半以上, 现场建筑垃圾减少85%, 而且95%的建筑垃圾可实现回收利用, 施工周期短, 绿色度高。

在规模适当的住宅工程建设中, 模块建筑体系具有造价适中的核心优势, 推广应用前景比较广阔, 将会为我国工业化建筑拓展新的发展思路。

该结构体系经过抗震改型与创新优化, 目前已在我国实施落地。本文结合有限元软件ABAQUS, 建立模块-核心筒混合结构算例, 着重研究作为单道防线的抗侧力核心筒的抗震性能。

住宅塔楼建筑高度30m, 地上10层, 标准层层高3m, 结构平面布置沿中线对称, 如图1所示。钢筋混凝土核心筒承担结构100%水平力及核心筒自重, 各模块钢密柱间实现铰接, 承担自身竖向荷载, 各层楼板不连续, 均采用特殊连接件连接。单个核心筒平面尺寸为7.6m×8.2m, 如图2所示。

相关设计参数如下:建筑结构安全等级二级;结构设计使用年限及结构设计基准期50年;结构重要性系数1.0;建筑抗震设防分类为标准设防类 (丙类) ;抗震设防烈度7度 (0.1g) ;设计地震分组第二组;场地类别III类;罕遇地震场地特征周期0.6s;罕遇地震结构阻尼比0.06。

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》 (2016版) 的要求, 结构在不同级别的地震作用下实现“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”, 其中小震和中震可通过承载力和变形验算的方法进行, 对于罕遇地震, 则需进行非线性地震分析, 作为结构抗震性能化设计评价的依据。

ABAQUS三维非线性模型如图3所示, 平面网格划分如图4所示。模拟单元信息如下: (1) 剪力墙/楼板:4节点缩减积分壳单元S4R; (2) 模块钢柱:T3D2; (3) 钢梁、边缘构件配筋、墙体内置型钢:三维梁单元B31; (4) 模块连接件 (Q345) :4节点缩减积分单元S4R。ABAQUS弹塑性模型的动力特性如表1所示。

根据GB 50011—2010, 本文采用3组罕遇地震地面运动加速度记录作为非线性动力时程分析的地震输入。在3组强震记录中, 两组为与设计目标反应谱相符的真实强震地面加速度记录, 另一组为与设计目标反应谱相符的人工模拟地面加速度时程, 地震波持续时间均为20s, 时间间隔为0.02s, 地震波反应谱与规范谱的对比如图5所示。

由图6～9可看出, 随着地震波输入强度的增加, 结构部分进入弹塑性状态, 刚度有所下降, 使得弹塑性模型的剪力反应小于弹性模型的剪力反应。由表2可看出, 大震弹塑性与大震弹性的基底剪力比值在53.3%～80.7%, 表明在罕遇地震作用下结构刚度出现一定程度的退化, 但仍在合理范围内。

由图10～12可知, 3条罕遇地震时程作用下结构x向最大层间位移角为1/417, 产生在第6层, 结构y向最大层间位移角为1/427, 产生在第5层, 结构最大层间位移角普遍小于其抗震设防性能目标的位移限值 (1/100) , 可满足大震不倒的设计要求。

通过ABAQUS软件对装配式模块结构算例进行罕遇地震下动力弹塑性分析, 本文着重对抗侧力核心筒进行抗震性能分析, 得出如下结论。

1) 核心筒基底剪力下降, 结构刚度出现一定程度的退化, 但仍在合理范围内。

2) 核心筒最大层间位移角普遍小于其抗震设防性能目标的位移限值 (1/100) , 可满足大震不倒的设计要求。