93-王启文、周斌等-珠江新城酒店大震弹塑性分析

第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文
2014
混凝土采用塑性损伤破坏模型，该模型可以分析存在微裂缝和微空洞的有损伤材料，以及这些损伤的 扩展与演变，直至宏观破坏形成的全过程，其特点是：以损伤系数作为构件进入塑性及破坏程度的判断标 志，能够考虑地震作用过程中循环荷载作用下的裂缝闭合所引起的刚度恢复效应，是目前有限元软件中较 为理想的一种模型。 ABAQUS 的混凝土损伤模型理论的核心是假定混凝土的破坏形式是拉裂和压碎， 混凝土进入塑性后的 损伤分为受拉和受压损伤，分别由两个独立的参数控制，以此来模拟混凝土中损伤引起的弹性刚度退化。 当单元达到塑性应变的极限值时，认为完全损伤，残余刚度近乎消失。混凝土拉压刚度恢复示意见图 4。
附注：地震波输入方向为 X：Y =1：0.85 和 X：Y =0.85：1。在统计层间位移角时，不考虑塔尖那层。
(a)X 向 图 11 层间位移角曲线
(b) Y 向
(a)X 向 图 12 层间剪力曲线
(b) Y 向
限于篇幅，本文值给出部分关键构件的性能水准，见图 13 至图 20。
a）X 向地震作用
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4.2.3 模型中的阻尼
结构动力时程分析过程中，阻尼取值对结构动力反应的幅值有比较大的影响。在弹性分析中，通常采 用振型阻尼 ξ 来表示阻尼比，根据《建筑抗震设计规范》 （GB 50011—2010）[1]（以下简称抗规）规定， 本结构在罕遇地震下的振型阻尼 ξ 取 0.05（各振型相同） 。实际在弹塑性分析中，由于采用直接积分法方 程求解，故并不能直接代入振型阻尼。通常的做法是采用瑞雷阻尼等效模拟振型阻尼，瑞雷阻尼分为质量 阻尼 α 和刚度阻尼 β 两部分，其与振型阻尼的换算关系为：
人工波/CQC 比值 1.06 天然波 1（H115）/CQC 1.12 天然波 2（C048）/CQC 1.08
从图 3 和表 1 可以看出，所选地震波计算的基底剪力与 CQC 法计算的比较接近。
4 弹塑性分析目的及弹塑性分析模型
在本工程的非线性地震反应分析模型中，没有对设计模型进行简化，所有对结构刚度有贡献的构件均 按实际模拟。 4.1 弹塑性分析目的 1）研究所采用的结构体系对结构抗震性能的影响，论证结构体系的可行性来。2）研究关键构件的塑 性变形程度，确保结构的安全性；3）研究结构在罕遇地震作用下的整体变形，确保结构满足“大震不倒” 的设防水准要求；4）根据分析结果，针对结构薄弱部位和薄弱构件提出相应的加强或者优化措施，以指 导施工图设计。 4.2 弹塑性分析模型 采用大型通用有限元软件 ABAQUS，分析中施工模拟阶段采用 ABAQUS/STANDARD 求解器，地震 作用采用 ABAQUS/EXPLICIT 求解器。 模型的前处理采用自行开发的转换程序， 同时开发了材料用户子程 序。 4.2.1 材料 1）钢材 钢材的动力硬化模型采用双线性随动硬化模型（图 3） ，在循环过程中，无刚度退化，但考虑了包辛格 效应。钢材的强屈比设定为 1.2，极限应力所对应的极限塑性应变为 0.02。 2）混凝土
4.2.4 构件性能水准
1）构件性能评估方法 美国土木工程协会标准 ASCE41-06[2]（既有建筑抗震加固标准）给出了对于基于性能的抗震设计方法 关于构件变形性能指标限值的规定。ASCE-06 把构件性能水平分为以下四个阶段（图 7） ：充分运行阶段 （Operational，简称 OP） ，基本运行（Immediate Occupancy，简称 IO） ，生命安全（Life Safety，简称 LS） ， 接近倒塌（Collapse Prevention，简称 CP） 。
图 7 构件力-变形骨架曲线与其性能状态划分图 （P 为主要构件，S 为次要构件）
2）构件性能水准 参考《高层建筑混凝土结构技术规程》[3]和美国土木工程协会标准 ASCE41-06，根据结构类型，设防 烈度等，制定结构在罕遇地址作用下的性能水准见表 2： 表 2 结构罕遇地震作用下构件性能目标
地震烈度水准 最大层间位移 底部加强层柱子（斜柱，框支柱，3MF 层极短柱除外） 上部柱子（18 和 22 转换斜柱除外） 底部斜柱、框支柱和 3MF 层极短柱，18 和 22 层斜柱 大震 1/100 抗弯满足 IO 性能水准；抗剪不屈服 抗弯满足 LS 性能水准；抗剪不屈服 抗弯满足 IO 性能水准；抗剪不屈服 允许出现弹塑性变形，破坏程度轻微，可运行 允许出现弹塑性变形，破坏程度可修复，保证生命安全 满足 IO 性能水准 大部分抗弯满足 LS 性能水准， 少部分满足 CP 性能水准； 抗剪 不屈服 抗弯满足 IO 性能水准；抗剪不屈服
a）X 向地震作用
b）Y 向地震作用
图 16 人工波作用下地上 3 层转换梁（北立面）抗弯 IO 性能水准
a）X 向地震作用
b）Y 向地震作用
图 17 人工波作用下地上 3 层转换梁（北立面）抗剪不屈服验算
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a）X 向地震作用
b）Y 向地震作用
图 18 人工波作用下剪力墙混凝土压损伤
a）X 向地震作用
b）Y 向地震作用
图 5-19 人工波作用下 2 层楼板混凝土压损伤（转换桁架下弦所在楼层）
a）X 向地震作用
b）Y 向地震作用
图 20 人工波作用下 2 层楼板钢筋塑性应变值（转换桁架下弦所在楼层）
5.3 结果评价及加强措施 1）两组天然波和一组人工波作用下，结构下部加强区的柱子（斜柱，框支柱， 3MF 层极短柱除外） 抗弯满足 IO 性能水准，同时满足抗剪不屈服；上部的柱子（18 和 22 转换斜柱除外）满足抗弯 LS 性能水 准，同时满足抗剪不屈服，因此柱子满足预定的抗震性能目标； 2）转换钢桁架保持不屈服，满足其作为关键构件预定的抗震性能目标； 3）3 至 4 层（核心筒东侧）的跃层转换斜柱及其上下层柱子抗弯满足 IO 性能水准，同时满足抗剪不 屈服，满足其作为关键构件预定的抗震性能目标； 4）地下 1 层斜柱（核心筒西侧）及其上下层柱子抗弯满足 IO 性能水准，同时满足抗剪不屈服，满足 其作为关键构件预定的抗震性能目标； 5）18 层斜柱（支撑外凸墙肢）和 22 层斜柱抗弯满足 IO 性能水准，同时满足抗剪不屈服，满足其作 为关键构件预定的抗震性能目标； 6）转换梁（3 层北立面和 21 层等）抗弯满足 IO 性能水准，同时满足抗剪不屈服，因此满足其作为 关键构件预定的抗震性能目标；
b）Y 向地震作用
图 13 人工波作用下转换桁架的框支柱抗弯 IO 性能水准
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a）X 向地震作用
b）Y 向地震作用
图 14 人工波作用下转换桁架的框支柱抗剪不屈服验算
a）X 向地震作用
b）Y 向地震作用
图 15 人工波作用下地上 3-4 层斜柱及其上下层柱子抗弯 IO 性能水准
1 工程概况
珠江新城酒店位移广州珠江新城 D4-B2 地块，盖成后将为广州乃至华南区第一个超五星级的酒店，其 建筑立面图和结构标准层平面图如图 1，2 所示。 该工程所在地区抗震设防烈度为 7 度，II 类场地，设计基本加速度值为 0.1g，抗震设防类别为标准设 防类(丙类)。
2 工程特点
结构体系为框架核心筒结构体系，结构总高度 118.3m，结构外框南立面的 3~4 层采用桁架转换，北立 面 4 层采用 SRC 梁转换，由于建筑造型需要，在 3-4 层的核心筒西侧和 18 层采用斜柱，21 层以上建筑平 面缩小，采用转换梁托上部斜柱，同时在此层的部分剪力墙出现不连续。通过计算得知结构第一振型为扭 转振型。 针对结构存在着多项不规则性，有必要对其进行动力弹塑性时程分析，研究其在罕遇地震作用下的反 应、薄弱环节、破坏模式等，以便进行抗震性能评估。
t to
σ ε
( 1 -cd
E0பைடு நூலகம்
wt = 1
wt = 0 w c =0 w c =1 E0
(1-d t )E 0
0)
E (1-d t )(1-d c )E0
图 3 钢材随动硬化模型
图 4 混凝土拉压刚度恢复示意图
4.2.2 分析模型单元 （1）模拟梁柱采用 B31 单元，ABAQUS 中的 B31 单元考虑塑性区发展，杆件刚度由截面内和长度方 向动态积分得到，其双向弯矩和弯拉的滞回性能可由材料的滞回性能精确反映。钢筋混凝土截面或钢骨混 凝土截面定义：不考虑钢筋和型钢构件和混凝土的相对滑移，程序根据平截面假定，对各个部分构件截面 积分点，计算出混凝土构件的截面弯矩、轴力和剪力。如图 5 所示。
构 件 性 能
底部加强层剪力墙 上部剪力墙 转换桁架（钢） 框 架 梁 转换梁（3 层、21 层等）
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 连梁 转换层楼板（2、3、4 和 22 层） 其他楼层楼板
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抗弯满足 CP 性能水准；允许少部分抗剪屈服 没有出现大面积刚度退化大于 0.7 的部位，钢筋塑性应变小于 0.01 允许弹塑性变形，钢筋塑性应变小于 0.02
图 8 层位移和层间位移角曲线弹性与弹塑性结果对比
图 9 结构层间剪力曲线弹性与弹塑性结果对比图
10 地上首层剪力时程曲线弹性与弹塑性结果对比
从图 8 至图 10 可以看出，结构在人工波作用下（X 向为主方向） ，不考虑材料非线性时，首层基底剪 力为 89926kN，为 SATWE 小震计算值（13012kN）的 6.91 倍，大于本项目设防烈度的大震地震影响系数 最大值与小震地震影响系数最大值之比 6.25， 说明人工波计算结果较 CQC 法的大， 这与表 2-2 中的对比结 果相符合。考虑材料非线性时，基地剪力为 57665kN，为弹性分析的 0.64 倍，说明结构部分构件已经进入 塑性阶段，结构变柔，地震作用减小。弹性与弹塑性分析最大层间位移角分别为 1/225 和 1/206，顶点位移 分别为 344mm 和 348mm。 5.2 弹塑性计算结果 整体计算结果见表 3 和图 11。结构在完成罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析后，结构最大层间位 移角 X 向为 1/206，Y 向为 1/189，均小于《高规》对于框筒结构 1/100 的限制要求，在考虑重力二阶效应 和大变形情况下，结构最终不出现倒塌，满足“大震不倒”的设防要求。 表 3 结构整体指标