廣州金融城某地塊塔樓B結構動力彈塑性分析

黃 偵 玉

(廣州容柏生建筑結構設計事務所，廣東 廣州 510030)

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廣州金融城某地塊塔樓B結構動力彈塑性分析

黃 偵 玉

(廣州容柏生建筑結構設計事務所，廣東 廣州 510030)

以廣州金融城某地塊塔樓B為例，通過PKPM-SAUSAGE軟件，對塔樓B進行了罕遇地震下動力彈塑性分析，探討了該結構在罕遇地震作用下的響應和主要構件的損傷情況，指出塔樓B結構滿足預定的性能目標要求。

塔樓，動力彈塑性分析，結構損傷，抗震性能

1 概述

隨著國民經濟的發展，建筑結構高度、復雜程度不斷增加，超限項目日益增多，全靠彈性分析的設計手段已無法滿足設計要求。《建筑抗震設計規范》[1]和《高層建筑混凝土結構技術規程》[2]都明確規定了彈塑性分析的相關要求。彈塑性分析是結構性能設計的有效分析手段，動力彈塑性分析是將結構作為彈塑性震動體系，直接按照地震波數據輸入地面運動，通過積分運算，求得地面加速變化期間內結構內力和變形隨時間變化的全過程。PKPM-SAUSAGE在結構動力彈塑性分析中具有結算高效、結構準確、操作簡便等優點，王欣等[3]通過對比PKPM-SAUSAGE和國際通用有限元軟件ABAQUS[4]的分析結果表明，二者吻合較好。廣州金融城某地塊塔樓B棟超限設計中，采用PKPM-SAUSAGE進行動力彈塑性分析。

2 工程概況

本項目塔樓屋面結構高度211.5 m，地面以上50層，結構高

寬比5.64，采用框架—核心筒結構體系，核心筒高寬比20.43。該塔樓核心筒端部剪力墻在25層、43層有局部收進，總體上結構豎向剛度變化不大，結構平面規則，樓板規整，有限元模型如圖1所示。本項目抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.1g，地震設計分組為第一組，場地土類別為Ⅱ類，特征周期值為0.35 s，屬建筑抗震不利地段，主樓結構抗震性能定為C級，超限情況及罕遇地震下的性能目標如表1，表2所示。

表1 工程的超限情況

表2 工程罕遇地震下的抗震性能目標

3 分析模型及方法

在本工程的非線性地震反應分析模型中,所有對結構剛度有貢獻的結構構件均按實際情況模擬。動力平衡方程可以表示為：

加速度與速度可以用位移表示：

代入動力平衡方程，即可得到顯式分析求解方程：

其中，{δ}t+Δt為待求下一時刻的位移向量；{δ}t為當前時刻已知位移向量；{δ}t-Δt為上一時刻已知位移向量；{F}t為結構所承受的節點外力向量，如：豎向荷載、地震作用；[M]為集中質量矩陣；[C]為阻尼矩陣。

本工程中梁、柱及斜撐采用Timoshenko梁單元[5]模擬，為考慮梁單元的彈塑性受力特征，可采用纖維梁模型[6]；剪力墻、連梁和樓板采用殼單元模擬，可采用分層殼模型，如圖2所示。為提高結構的延性，通常連梁上下位置處設有面筋和底筋，在剪力墻的端部亦設有邊緣構件。彈塑性分析時，連梁面筋、底筋與邊緣構件桿單元采用桿單元模擬，僅考慮軸向拉壓作用。桿單元的截面可設為方鋼管，其面積相應地取連梁面筋、底筋和邊緣構件的配筋面積。

混凝土本構關系選用彈塑性損傷模型，混凝土材料軸心抗壓和軸心抗拉強度標準值按《混凝土結構設計規范》[7]表4.1.3取值。鋼材用雙線性隨動硬化模型，考慮包辛格效應，在循環過程中，無剛度退化。鋼材的強屈比設定為1.25，極限應力所對應的極限塑性應變為0.025。為提高分析的準確性，本工程彈塑性分析中將不采用剛性樓板假定，對各層樓板均劃分為1 m×1 m網格密度的彈塑性殼單元來進行分析，有限元計算自由度數目高達180多萬。

4 結構動力彈塑性分析結果

結構在各組波作用下的彈塑性分析整體計算結果如表3～表5以及圖3，圖4所示。

表3 各組地震波作用下結構彈塑性大震基底剪力

表4 各組地震波作用下結構最大頂點位移及最大層間位移角

表5 彈性大震與彈塑性大震下基底剪力比和頂點位移比

5 罕遇地震下結構損傷情況

在PKPM-SAUSAGE中構件的損壞主要以混凝土的受壓損傷因子及鋼材(鋼筋)的塑性應變程度作為評定標準，與《高層建筑混凝土結構技術規程》[2]中構件的損壞程度相對應。衡量鋼材損壞程度的主要指標是塑性應變值；混凝土的損傷通過受壓損傷因子[8]Dc來描述，將混凝土受壓損傷小于0.1設為中度損壞，大于0.1則認為損壞較為嚴重。對采用桿單元模擬的梁、柱、斜撐等構件，視鋼材塑性應變程度區分為輕微損壞～比較嚴重損壞，而構件中的混凝土一旦出現受壓損傷，則肯定會造成構件承載力下降，屬于中度損壞～比較嚴重損壞；剪力墻構件以受壓損傷橫截面面積作為其嚴重損壞的主要判斷標準；連梁和樓板的損壞程度判別標準與剪力墻類似，樓板以承擔豎向荷載為主，且具有雙向傳力性質，小于半跨寬度范圍內的樓板受壓損傷達到0.5時，尚不至于出現嚴重損壞而導致垮塌。

分析結果表明，裙房頂層柱頂及柱腳出現輕度～中度的塑性應變，約為0.004～0.01，塔樓外框架柱在頂層邊跨出現輕度的塑性應變，為0.002。柱混凝土受壓損傷僅在裙房柱外側角柱柱頂出現。框架柱滿足設定的抗震性能目標。

裙房相關樓層框架梁混凝土受壓損傷為局部中度～比較嚴重損傷，鋼筋塑性應變為輕度損傷；塔樓小部分框架梁梁端出現局部中度～比較嚴重的混凝土受壓損傷，大部分框架梁梁端出現輕度的鋼筋塑性應變。裙房及塔樓框架梁滿足大震下“中度損壞，部分比較嚴重損壞”的性能要求。

裙房頂層樓板出現局部比較嚴重的混凝土受壓損傷，輕微的鋼筋塑性應變，滿足預設的大震下“中度損壞，部分比較嚴重損壞”的性能要求；塔樓樓板出現輕微的鋼筋塑性應變，核心筒內連板、剪力墻收進部位的樓板出現比較嚴重的受壓損傷，核心筒外樓板損傷分布較廣，但未出現連片損傷帶，不影響樓板的整體傳力性能，為中度受壓損傷，因此，核心筒樓板也滿足預設的大震下“中度損壞，部分比較嚴重損壞”的性能要求。

在彈塑性分析中，通過各片剪力墻在地震作用下混凝土的受壓損傷以及鋼筋的塑性應變計算結果可對剪力墻抗震性能評價如下：

1)絕大部分剪力墻墻肢均未出現顯著的受壓損傷，結構損傷主要集中在連梁上；結構邊緣構件基本上均為彈性狀態，表明大震下剪力墻基本可以實現抗彎不屈服的性能狀態，滿足預設的性能要求；

2)核心筒X向墻肢基本上未出現損傷，核心筒右側收進墻肢在收進層出現了中度受壓損傷，但仍滿足預設的性能要求；核心筒Y向墻肢大部分未出現損傷，或在墻肢邊緣出現局部的輕度～中度損傷，X向核心筒部分墻肢的收進未對Y向墻肢帶來顯著影響。因此，結構核心筒剪力墻損傷分布合理，邊緣構件未屈服，連梁耗能機制發揮充分，滿足大震下的性能要求。

此外，罕遇地震下外框柱均未出現拉力；核心筒兩端剪力墻墻肢受到一定拉力，如果考慮兩端翼墻則受到的拉力不大，若分開則翼墻受到拉力較大，達6 394 kN；而核心筒Y向兩側剪力墻出現較大拉力，兩側最大拉力值分別為10 112 kN，18 374 kN。

6 罕遇地震彈塑性時程分析結論

綜上所述，通過PKPM-SAUSAGE對結構進行動力彈塑性分析結果以及結構損傷分析可得出以下結論：

1)在考慮重力二階效應及大變形的條件下，結構在地震作用下的最大頂點位移X向為1.068 m、Y向為1.308 m，并最終仍能保持直立，滿足“大震不倒”的設防要求；

2)主體結構在各組地震波作用下的最大彈塑性層間位移角X向為1/116、Y向為1/103，滿足規范限值要求；

3)結構的彈塑性層間位移角曲線總體較光滑，說明大震彈塑性下結構沒有明顯的薄弱層和軟弱層出現，沒有顯著剛度突變，整體性好；

4)大震彈塑性時程分析首層剪重比為3.5%左右，首層X，Y向剪力與相應小震彈性時程比值分別介于2.75～4.14和3.52～5.23，表明大震所選地震波對結構的激勵足夠；

5)結構外框架柱未出現顯著損傷、框架梁梁端出現中度損傷，裙房及塔樓框架滿足預設的性能要求；結構主要損傷集中在連梁上，連梁的充分耗能整體上保護了主體承重結構，確保了核心筒墻肢在大震下的延性儲備；

6)核心筒一端墻肢在中部樓層有局部收進，局部收進處墻肢出現中度損傷，相應樓層部位樓板出現比較嚴重的受壓損傷；該損傷均符合預設的大震性能要求；

7)該結構由于設置了大量的多連梁，在大震下基本均進入塑性，從而有效吸收了強震下的地震能量，保護主體結構。

通過以上分析表明，本工程罕遇地震作用下構件滿足預先設定的性能目標要求，整體結構能達到“大震不倒”的目標。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[2] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[3] 王 欣，李志山.SAUSAGE軟件動力彈塑性時程分析方法及其應用[J].建筑結構，2012(11)：96-97.

[4] 閻紅霞，楊慶山，張麗英.ABAQUS在超高層結構動力彈塑性分析中的應用[J].震災防御技術，2010(3)：155-157.

[5] 朱炳麒，陳學宏.理性Timoshenko梁單元及其應用[J].力學與實踐，2008(1)：128-130.

[6] 閤東東，萬金國，潘 鵬，等.纖維梁單元模型中鋼筋模擬方法對比研究[J].建筑結構，2013(2)：160-162.

[7] GB 50010—2010，混凝土結構設計規范[S].

[8] 郭 明.混凝土塑性損傷模型損傷因子研究及其應用[J].土木工程與管理學報，2011(3)：105-108.

Elastic-plastic time-history analysis of tower B in a block of Guangzhou Financial City

Huang Zhenyu

(RBSArchitecturalEngineeringDesignAssociates,Guangzhou510030,China)

Take the tower B in a block of Guangzhou Financial City as an example, we achieved elastic-plastic time-history analysis by PKPM-SAUSAGE software under the rare earthquake of tower B, discussed the response and damage of the structure under the rare earthquake, point out the structure satisfies the performance targets.

tower, elastic-plastic time-history analysis, structural damage, seismic performance

1009-6825(2016)26-0050-03

2016-07-06

黃偵玉(1987- )，男，碩士，工程師

TU313

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