深圳某框架-核心筒結構的彈塑性分析

郭勁松 沈飛揚 蘭旭博

摘要：該工程位于深圳市，本研究運用SAUSAGE軟件建立了深圳某超高層的電算模型，并對該工程在罕遇地震下進行彈塑性分析，結果顯示各層層間位移滿足規范要求，主要豎向構件損傷較輕，主要耗能構件連梁發揮了優良的性能，雖然局部破壞嚴重，但不會危及整體結構，結構整體性比較穩定，罕遇地震作用下可以達到規范要求的"大震不倒"的要求。

Abstract： The project is located in Shenzhen City. This study used SAUSAGE software to establish a super-high-rise computer model in Shenzhen， and carried out elastoplastic analysis of the project under rare earthquakes. The results show that the displacement between layers is meeting the requirements of the specification， the main vertical members are less damaged， and the main energy-consuming members have excellent performance. Although the local damage is serious， it will not endanger the overall structure， and the structural integrity is relatively stable. Under the rare earthquake， it can meet the requirements of "not fall under the big earthquake".

關鍵詞：SAUSAGE軟件;彈塑性分析;位移角;罕遇地震

Key words： SAUSAGE software;elastoplastic analysis;displacement angle;rare earthquake

中圖分類號：TU973+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）21-0135-03

0? 引言

社會高速發展的今天，建筑物越建越高，越來越復雜，各種超高層綜合體層出不窮，結構設計的安全性更是成為了重中之重，這就對設計師有了不小的挑戰。隨著各種數值模擬軟件的進步，工程設計領域的應用也逐漸成熟。

本文利用目前得到設計院廣泛認可的SAUSAGE軟件對結構進行彈塑性時程分析，不僅可以獲得各個樓層的層間位移信息，和主要抗側力單元的損傷程度和損傷分布等多項結構地震響應結果，同時還能獲得構件在不同時刻性能狀況和破壞順序，通過對各種指標分析可以對罕遇地震下結構的抗震性能進行評價，可以對工程設計也有一個引導和校核作用。

1? 工程概況

本工程位于經濟特區深圳市，建成渲染圖參考圖1。集團大樓高度為149.7m，其中標準層層高4.25m，總建筑面積47950.22m2。地上部分共有33層，地下3層用作停車位和設備間，臨街商業裙房在前7層，以上26層主要是商務用途，8層和21層為該筒體結構的避難層。抗震設防烈度和類別為7度、丙類，場地類別為II類，特征周期Tg為0.35s，設計使用年限為50年。超限信息：高度超限、位移比超限、局部剛度突變、穿層柱、斜柱。

該工程結構體系設計成了框架-核心筒結構體系。圖2給出了標準層平面布置圖，筒體剪力墻從車庫三層一直延伸到結構頂層。其中筒體剪力墻長度為26.8m，寬度為9.6m。核心筒混凝土強度等級和墻體厚度見表1。現澆梁板，板厚120mm。地下首層頂板為嵌固端，頂板厚度為180mm。塔樓1-14層采用十字勁混凝土組合柱和箱型勁混凝土組合柱，15-33層采用矩形混凝土柱，柱尺寸和柱混凝土強度等級見表2。

2? 結構模型

2.1 結構整體分析模型

由于SAUSAGE軟件建模不方便，本文采用YJK模型導入SAUSAGE（見圖3），并進行整體動力彈塑性分析。材料模型利用纖維梁模型來模擬桿件比如梁和柱子，同時利用分層殼模型模擬各種樓板，耗能連梁以及墻肢。為了判斷采用YJK導入的模型是否合理，首先對該結構進行模態分析，通過周期、質量等數據可以對模型進行大體判斷。表3列出了YJK模型的周期、質量數值和導入SAUSAGE模型后的數值，兩種軟件的數值結果差別不大。由于SAUSAGE中包含鋼筋的重量，YJK沒有計算鋼筋質量，所以總質量要比YJK模型總質量略微大點。

2.2 纖維梁模型

SAUSAGE軟件的纖維梁模型可以比較準確對桿系進行模擬，之所以比較準確，是因為精細到了截面纖維層次。框架部分采用鐵木辛柯梁模擬，通過先求各纖維上的應力應變可以獲取截面的內力，通過積分圖4的各個單元積分點，可以準確求出整個單元的內力。SAUSAGE軟件所支持的各種梁截面由1個或多個子截面和鋼筋組合而成，單元內力計算時，分別對各個子截面和鋼筋纖維所產生的內力進行積分，最后對各內力進行簡單地疊加求和，即為梁單元內力[1]。

2.3 分層殼模型

剪力墻、樓板、連梁采用彈塑性分層殼單元，適合模擬剪力墻和樓板、連梁在大震作用下進入非線性的狀態。下面具體介紹分層殼模型計算原理：將殼單元分成圖5這樣的層，各層可以根據需要設置不同的厚度和材料性質（如混凝土、鋼筋）。基于各層材料之間的平截面假定，由中心層應變和曲率得到各鋼筋和混凝土層的應變，進而由各層的材料本構方程得到各層相應的應力，再積分得到整個殼單元的內力[2]。軟件給出的分層殼模型要比以前的宏觀模型[3]模擬的更加精確，可以疊加rebar-layer考慮多層分布鋼筋的作用，還可以考慮面內面外的彎曲耦合作用，更為適合模擬實際工程中剪力墻和樓板大震作用下的非線性行為。

3? 罕遇地震下的彈塑性時程計算

選用天然波1、天然波2、特制人工波三組波，天然波2時程曲線見圖6，人工波是根據深圳該工程施工地點的地貌和地質特性制成的。彈塑性時程分析時所用地震加速度時程的最大值為220gal，并且本次研究考慮了雙向地震作用。這三組地震波符合《建筑抗震設計規范》[4]和高規要求。導入這3組地震波后，SAUSAGE可以自動生成不同方向上的工況，依次對這幾組工況進行時程分析，具體數據詳見表4。

不同分析情況下的基底剪力可以判斷彈塑性結果的評價標準，由表5可知，大震彈塑性時程基底剪力為小震彈性基底剪力的3.8倍左右，可以判斷地震力在合適的范圍內，大震彈塑性時程基底剪力與大震彈性時程基底剪力比值在0.7左右，說明罕遇地震下彈塑性時結構整體性能較好，耗能水平優良。

4? 罕遇地震作用下的構件抗震性能

軟件彈塑性分析完成后，利用SAUSAGE后處理功能，可以查看單元性能，構件性能，鋼筋塑性應變等多個指標，進而可以對該超高層做抗震評價，性能評價標準見圖7。不在對每條波進行論述，本文主要以基底剪力較大的天然波2，X為主方向的計算結果對柱、樓板、剪力墻、連梁等重要構件進行抗震性能進行評價。時程分析的優勢就是可以看到不同時刻的構件損壞情況，也可以看到結構的整個破壞過程。罕遇地震作用的時候，構件損壞順序是連梁最早產生損壞見圖8，圖9、圖10為30s時罕遇地震下剪力墻損傷分布和結構整體損傷分布，圖11為30s時頂層樓板損傷分布。由圖可知墻體損壞主要集中在連梁和連梁端部位置，連梁最先損壞來抵消一部分地震能量，是罕遇地震時保護建筑物的首要構件;剪力墻墻身大多處于輕微損壞或無損壞狀態，底部加強區剪力墻沒有嚴重損壞，底部加強區連梁輕度損壞見圖12;框架柱損壞較輕，沒有失去承載力，可以保證建筑物的安全;框架梁大部分處于輕微損壞，沒有出現較大破壞;各主要構件在罕遇地震下受力性能良好。

5? 結論

本文利用目前設計院廣泛認可的SAUSAGE軟件建立有限元模型，能夠比較快速的對復雜超限結構進行彈塑性分析，該工程可以得出：①通過YJK建立結構整體設計模型然后導入SAUSAGE軟件中進行分析，是一種比較簡便的對復雜超限高層彈塑性分析的方法，可以較快對實際中復雜超高層建筑進行罕遇地震下的彈塑性分析，SAUSAGE的“雙U”計算模式能充分發揮GPU的性能，計算用時5個小時左右，完全可以滿足實際設計的需要。②該筒體結構在罕遇地震下位移參數滿足抗規要求。總地震時長30s結束時，結構總體損壞不嚴重，承重構件沒有遭到嚴重破壞，滿足大震不倒的設防要求。③連梁是建筑物的“第一道防線”。框架的承載力完全滿足要求，未出現嚴重損傷，框架是連梁后保護建筑物的“第二道防線”。樓板只有頂層局部出現中度損傷，大震下水平力傳遞比較良好，該超高層結構體系設計合理。

參考文獻：

[1]高性能彈塑性動力時程分析軟件PKPM-SAUSAGE評審技術報告[M].廣州：廣州建研數力建筑科技有限公司，2014.

[2]章征濤，裘趙云，夏長春，樊嶸.某超高層框架-核心筒結構彈塑性時程分析[J].建筑結構，2016，46（S2）：204-209.

[3]韓小雷，李靜.基于性能的超限高層建筑結構抗震設計——理論研究與工程應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[4]GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.