結構模型建立與側推分析

本研究所參考之案例以日本一棟純構架式超高層高強度鋼筋混 凝土建築物為對象，並假設工址為台北市信義區，其平面配置為一正 方形，跨距為 5.7m，兩邊各有 6 跨度；立面系統為六十層樓高且屋 突，柱斷面為漸變形式隨樓層增加而縮小，樓梯間位於中央，結構平 面配置如圖 5-2、5-3、5-4所示。

圖 5-2 建物立面圖

【資料來源：參考書目 24】

圖 5-3 建物平面圖

【資料來源：參考書目 24】

圖 5-4 結構平面圖

【資料來源：參考書目 24】

二、 結構資料諸元

1. 面 積：1193.7(

m

²)結構平面圖如圖 5-4 所示；

2. 層 數：地下 3 層、地上 60 層、屋突 2 層；

3. 高 度：樓層高度 175.6(

m

)，樓層總高度 183.8(

m

)，基礎 深 18(

m

)，標準樓高 2.9(

m

)；

4. 地盤種類：台北盆地（假設）； 5. 使用材料：

鋼筋混凝土抗壓強度 600

kgf

/ cm²(1F~40F)；

510

kgf

/ cm² (41F-60F)；

主筋降伏強度 7000

kgf

/ cm²； 箍筋降伏強度 8000

kgf

/ cm²；

6. 斷面示意：如圖 5-5、5-6。

圖 5-5 柱斷面配筋示意圖

【資料來源：參考書目 24】

圖 5-6 梁斷面配筋示意圖

【資料來源：參考書目 24】

三、 整體結構模型建立與側推分析

本章研究重點係根據前述建築物各構件塑鉸特性，透過側推分析 與非線性動力歷時分析，進而求得整體建築物之耐震性能並進行相關 檢核。進行側推分析前須先進行靜力分析，在此階段可得到各構件於 靜力作用下的力量分配，由此可計算各構件於靜力分析時的反曲點長 度與所受的軸力，並且必須考慮軸力變化情形，接著利用所求得之反 曲點長度與軸力計算各構件塑鉸特性，後續將各塑鉸特性指定給在結 構模型裡所對應的構件，進行側推分析。

本節將建立模型並執行靜力分析，以靜力分析結果計算塑鉸特性 將其設定於各構件上進行側推分析，以此分析結果計算建築物耐震能 力。根據前述之基本結構資料建立分析模型如圖 5-7、5-8、5-9 所示，

本案例分析不考慮結構與土壤互制作用，並假設梁、柱接點為完全剛 性接合，在樓梯間不設置樓板，除了梁、柱自重外其餘如外牆、陽台 欄杆、女兒牆自重將換算成等值載重並設定於模型上。

圖 5-7 整體建物 3D 立體圖

圖 5-8 模型立面圖

圖 5-9 模型平面圖

四、 超高層建築物側推分析結果

側推分析結果所得到的基底剪力-位移關係圖(容量曲線)與各階 段發展情形如圖 5-10 所示，整體最終階段梁、柱的塑鉸發展情形如 圖 5-11、圖 5-12所示。透過容量曲線轉換後求得譜加速度-譜位移關 係圖(容量震譜)如圖 5-13所示。續以利用第三章所述之改良式耐震能 力評估法，使用側推分析結果所得之有效週期( )、譜加速度( )、

譜位移( )和有效阻尼比(

T

eff

a

_pi

d

pi

β

_eff)來計算地表加速度( )。本案例結構 物消能行為κ採用 ATC-40 建議之 Type A，取κ=1。最後求得側推過 程中每一階段的地表加速度與位移關係如圖 5-14所示。

PGA

Displacement(m)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Base Shear (ton)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Capacity Curve

圖 5-10 側推分析容量曲線圖

圖 5-11 柱塑鉸最終發展情形

圖 5-12 梁塑鉸最終發展情形

Spectrum Displacement

0 20 40 60 80 100 120 140 160

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Sp ec tr u m A c celeration(g )

0.00

Capacity Spectrum

圖 5-13 側推分析容量震譜圖

五、 側推分析結果檢核

側推分析是模擬結構物受地震力作用ㄧ步一步地求得結構物的 力學變化，對於側推分析檢核，將利用第三章所介紹的檢核方式檢核 結構物側推過程中求得各階段構件、各樓層受力行為及變形。

1. 以

Level

1(中度地震)之相關規定檢核 1

Level

(中度地震)所對應之耐震需求為

PGA

=

S

_aD/3.5

α

_y，本章之案 例分析假設其工址位於台北盆地，可求得對應之

PGA

=0.06(g)，並利 用側推分析結果計算各樓層的層間變位角，建立各樓層層間變位角與 地表加速度之關係曲線如圖 5-15所示，於 地震作用下層間變位 角不得超過 ；利用構件所對應之斷面求得的軸力與彎矩關 係 曲 線 (PM-Curve) 檢 核 一 樓 受 壓 側 與 受 拉 側 柱 之 受 力 行 為 如圖 5-16、圖 5-17 所示；在圖 5-15 結果發現由側推結果達耐震需求時其 得到的層間變位角小於 0.005，以側推結果第二步檢核軸力與彎矩關 係於圖 5-16、圖 5-17 構件仍保持於彈性階段尚保持於彈性階段，故 尚未超過其容許應力。

1

Level 005

. 0 200 /

1 =

60F 50F 40F 10F 30F 1F

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

Story Drift Ratio

PG A

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

06

-1000 -500 0 500 1000

-1000 -500 0 500 1000

A x ial Force(ton)

-2000

Hinge State

圖 5-16 檢核 Level 1 第一層樓受壓側柱軸力-彎矩檢核圖

Moment(ton-m)

-1000 -500 0 500 1000

-1000 -500 0 500 1000

A x ial Force(ton)

-2000

Hinge State

圖 5-17 檢核 Level 1 第一層樓受拉側柱軸力-彎矩檢核圖 變位角小於 0.01；利用軸力與彎矩關係曲線(PM-Curve)檢核一樓受壓 側與受拉側柱之受力行為如圖 5-19、圖 5-20所示，前述 檢核知

持於彈性階段，故柱的塑性率為合格；圖 5-24 為已進入塑性的梁塑

60F 50F 40F

10F 30F 1F

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

Story Drift Ratio

PG A

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

24

Moment(ton-m)

-1000 -500 0 500 1000

-1000 -500 0 500 1000

A x ial Force(ton)

-2000

Hinge State

圖 5-19 檢核 Level 2 第一層樓受壓側柱軸力-彎矩檢核圖

Moment(ton-m)

-1000 -500 0 500 1000

-1000 -500 0 500 1000

A x ial Force(ton)

-2000

Hinge State

圖 5-20 檢核 Level 2 第一層樓受拉側柱軸力-彎矩檢核圖

Displacement(m)

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014

Mom ent (t o n -m )

Hinge Property Hinge State

圖 5-22 檢核 Level 2 第一層樓受壓側柱塑性率

Rotation(rad.)

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035

Mom ent (t o n -m )

Hinge Property Hinge State

圖 5-23 檢核 Level 2 第一層樓受拉側柱塑性率

Rotation(rad.)

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030

Mom ent (t o n -m )

Hinge Property Hinge State

圖 5-24 檢核 Level 2 梁塑性率

60F

Story Drift(m)

S tor y S hear (t on)

0

Story Drift(m)

S tor y S hea r( ton)

0

3. 以

Level

3(最大考量地震)之相關規定檢核

Level Level

3

3

Level Level

2

3

Level

在文檔中 高強度鋼筋混凝土應用在超高樓層建築物之耐震性能探討 (頁 123-143)