世茂深坑酒店结构弹塑性时程分析_哈敏强 (1)

一致输入和多点输入的比较
采用方法 反应谱 一致输入 适用 理论成熟 多点输入 不适用 目前理论只适用单反应谱输入 不适用 目前多 采 用 大 质 量 法 计 算 多 点 加速 度 时 程 激 励， 此方法为考虑 加速度时程的相位差 。 对于本 工 程 上 下 多 点 加 速 度 时 采用大质量法 程主 要 为 幅 值 差， ， 会造 成 支 座 节 点“ 偏 移 ” 使计 算结果失真 可接受 计算结果会有误差
图1 速度积分成位移产生漂移示意
时也同样会产生漂移 。 地震安评报告 已 明 确， 坑底和坑顶部位的地震 时程波存在幅值差但无相位差 。 通常大跨空间结构 的地震时程波仅存 在 相 位 差， 在对大跨结构进行加 各支座处产生几 速度时程输入的多 点 地 震 分 析 时， 乎同样程度的位移 漂 移， 各支座的相对位移仅仅为 相位差引起的微小位移差， 相位位移很小， 可以忽略 如 不计 。 而工程坑底 和 坑 顶 的 时 程 波 存 在 幅 值 差， 采用加速度时程输 入， 坑底和坑顶支座会产生非常 大且不真实的相对 位 移 差， 从而引起不真实的结构 内力 。 对工程坑顶 、 坑底输入安评报告提供的加速 度时程曲线进行小震下的时程分析时， 坑顶 、 坑底的 位移漂移竟达到 了 5m ， 这 明 显 与 实 际 情 况 不 符 合。
图2
SAP2000 钢管混凝土柱塑性铰定义中的三维屈服面
第 41 卷 第 12 期 2． 2 分析模型
哈敏强， 等 ． 世茂深坑酒店结构弹塑性时程分析
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弹塑性分析模型在弹性分析模型的基础上适当 简化， 两者的结构 特 性 基 本 一 致 。 结 构 弹 塑 性 计 算 重力荷载代表值取 考虑重 力 荷 载 代 表 值 的 影 响， “1． 0 恒载 + 0． 5 活 载 ” 。计算时取重力场加速度 g = 9． 81m / s 2 。 结构阻 尼 按 瑞 利 阻 尼 考 虑， 阻尼比取 5% 。 结构分析模型采用如下假定： （ 1 ） 结构有效质量采 用 重 力 荷 载 代 表 值 对 应 的 荷载水平和质量分布 。 （ 2 ） 坑 内 结 构 嵌 固 在 坑 内 水 下 部 分 － 54． 00m 标高 。 坑外非主体 结 构 部 分 删 除， 相应的荷载加在 坑内主体结构上 。 （ 3 ） 楼板模拟： 采用 分 块 无 限 刚 的 方 法 来 模 拟 。 坑内结构 的 楼 板 由 两 块 无 限 刚 模 拟， 顶 部 连 体 1F 和层 B1 的楼板由 一 个 无 限 刚 块 模 拟 。 计 算 中 假 定 但平面外则可自由变形 。 楼盖平面为无限刚， （ 4 ） 考虑到框架梁和 钢 框 架 柱 以 受 弯 和 压 弯 为 主， 塑性铰主要位于杆端， 分析模型中仅对杆端采用 塑性铰单元； 钢支撑和跨越桁架的腹杆以受压为主， 对杆中间位置采用 塑 性 铰 单 元； 钢 管 混 凝 土 柱 应 用 钢管混凝土“统一理论 ” 在 柱 两 端 设 置 塑 性 铰， 塑性 铰的设置中考虑了钢管混凝土柱受压失稳的影响 。 （ 5 ） 材料特性参数根 据 混 凝 土 规 范 或 钢 结 构 规 范取值， 强度参数取标准值 。 2． 3 地震波输入方法 地震安评中以基岩加速度反应谱和峰值加速度 为目标， 用数值模拟的方法合成地震动时程， 作为场 地土层地震动力反应分析的地震动输入值 。 由于本 工程的特殊性， 安评报告提供的时程波均为人工波 。 图 3 ～ 6 分别是罕遇地震第 3 组地震波下， 坑顶点 M 和坑底点 N 的 加 速 度 曲 线 和 位 移 曲 线 。 表 2 是 大 震各组地震波计算结果汇总 。 每组地震波分别考虑以 X 为主方向（ X ∶ Y = 1 ． 0 ∶ 0 ． 85 ） 和 Y 为主方向（ Y ∶ X = 1． 0∶ 0． 85 ） 进行两次输 3 组地震波， 入计算， 共计 6 个 工 况 计 算 。 对 于 每 个 坑顶点 M 和坑底点 N 同时输入相对应的 地震工况， 位移时程波 。 2． 4 简化单榀模型弹塑性时程初步分析 基于以上所述， 对本工程选取简化单榀模型进 行大震 下 的 弹 塑 性 时 程 分 析， 分析软件分别采用 SAP2000 和 ABAQUS 。 SAP2000 中 钢 管 混 凝 土 柱 的 两端设置 PMM 铰， 楼面梁两端设弯矩铰和剪力 铰， 支撑设轴力铰 。 ABAQUS 中对于钢材和混凝土均采 用了能精确模拟循环特点的本构模型 。 钢材模型采 用动力硬化模型， 考虑了包辛格效应； 混凝土材料模 型采用弹塑性损伤 模 型， 可考虑材料拉压强度的差 刚 度 强 度 的 退 化 和 拉 压 循 环 的 刚 度 恢 复。 异、
表1
加速度 时程
适用 理论成熟
位移时程
可接受 计算结果会有误差
2
三维整体模型弹塑性时程分析 为了得到结构 屈 服 后 的 弹 塑 性 行 为 和 表 现， 评
价结构在罕遇地震 作 用 下 的 抗 震 性 能， 以判定结构 是否满足 在 罕 遇 地 震 作 用 下 不 倒 塌 的 抗 震 设 计 目 标， 对该结构三维整 体 模 型 进 行 了 罕 遇 地 震 作 用 下 的弹塑性时程分析， 弹塑性时程波采用了位移时程 。 大震下的地震波由安评报告提供 。 2． 1 钢管混凝土柱在弹塑性分析中的力学性能模拟 带有钢 管 混 凝 土 柱 的 结 构 在 进 行 弹 塑 性 分 析 时， 目前常用的描述方法有实体单元有限单元法 、 纤 维单元模型和塑性铰模型 。 纤维单元模型和塑性铰 模型常用于分析整体结构的行为 。 纤维模型可以较 但 为准确地考虑钢材 和 混 凝 土 的 材 料 非 线 性 特 性， 不能考虑 细 长 柱 的 稳 定 屈 曲 系 数 。 与 纤 维 模 型 相 比， 集中塑性铰模型更直接地利用试验研究结果， 且 对于大型结构体系 其 计 算 效 率 相 对 较 高， 也更加易 于计算收敛 。 2． 1． 1 钢管混凝土柱统一理论［5］ 钢管混凝土塑性铰模型应用了钟善桐教授提出 的钢管混 凝 土 统 一 理 论 。 其 理 论 指 出： “钢 管 混 凝 土可视为统一的一 种 组 合 材 料， 用构件的整体几何
Elasticplastic timehistory analysis on the structure of Shimao Chasm Hotel Ha Minqiang ，Lu Yiming ，Lu Daoyuan ，Ren Tao ，Huang Liang
（ East China Architectural Design ＆ Research Institute Co． ，Ltd． ，Shanghai 200002 ，China ） Abstract ： Shimao Chasm Hotel is constructed along the cliff ，and both sides of the structure are supported． Unlike the seismic analysis considering traveling effect ，the time-history seismic analysis considering the difference of amplitude was carried out． Earthquake time-history of displacement was used ， rather than time-history of acceleration． This building adopts the braced steel frame structural system with concrete-filled steel tube （ CFST ） column． ‘Unified Theory of CFST ’ was applied for obtaining the nonlinear composite characteristics indexes． Using the finite element program software SAP2000 and ABAQUS ，the elastic-plastic reaction of the structure during severe earthquake was analyzed． Keywords ： multi-support excitation ； difference of amplitude ； time-history of displacement ； elastic-plastic analysis ； concrete filled steel tube
特性（ 全截 面 面 积 和 抵 抗 矩 等 ） 和 钢 管 混 凝 土 的 组 不再区分钢管 合性能指标计算构 件 的 各 项 承 载 力， 和混凝土 。 钢管混凝土的组合性能指标按下列步骤 获得： l ） 导出 钢 材 和 混 凝 土 在 多 轴 应 力 状 态 下 准 确 的本构关系的全过 程 数 学 表 达 式； 2 ） 用 有 限 元 法 计 算得到钢管混凝土 在 各 种 应 力 状 态 下 的 荷 载 、 变形 全过程关系 曲 线； 3 ） 根 据 上 述 全 过 程 曲 线， 确定极 限准则， 定出承载 力 组 合 设 计 指 标 。 由 于 所 用 材 料 的本构关系中已经包括钢管和核心混凝土间相互作 用的紧箍力效应， 确定的组合设计指标中也包含了 ” 这种紧箍效应 。 经对各种钢材 、 混凝土强度等级以及含钢率分 2］提 出 钢 管 混 凝 析计算得到 的 数 值 进 行 回 归， 文［ 土的组合性能指标简化计算公式 。 根据钢管混凝土 统一理论并考虑了 其 抗 压 稳 定 系 数， 分别建立了不 不同长细比 的 钢 管 混 凝 土 组 合 材 料 的 恢 复 同截面 、 力模型 。 2． 1． 2 SAP2000 中对钢管混凝土柱的模拟 SAP2000 给框架单元提供了弯矩 、 剪力 、 轴力和 可以在一根构件的任 弯矩相关（ PMM ） 四种塑性铰， 意部位布置一个或多个塑性铰 。 钢管混凝土柱的两 端设置 PMM + 塑性铰， 其参数分别采用钟善桐提出 的钢管混凝土柱的 N-M 关 系 曲 线 和 M- 恢 复 力 模 SAP2000 钢 管 混 凝 型 。 图 2 是轴 力 和 弯 矩 作 用 下， 土柱塑性铰 定 义 中 的 三 维 屈 服 面 。 而 M- 恢 复 力 模型表征了塑性铰的屈服后行为 。 应用 SAP2000 进行弹 塑 性 时 程 分 析 过 程 中， 每 一个构件的最大 弹 塑 性 变 形 值 都 可 与 FEMA356 所 建议的与构件各个破坏极限状态可接受限值进行比 较 。 FEMA356 中 性 能 水 准 点 有 IO （ Immediate Occupancy ， LS （ Life Safety ， 立即 可 用 性 能 水 准 ） ， 生 CP （ Collapse Prevention ， 命安全 性 能 水 准 ） ， 防止倒 IO ， LS ， CP 均在 B 点（ 出现塑性铰 ） 和 塌性能水准） ， C 点（ 倒塌点） 对应的位移限值之间 。