广州亚运会历史展览馆结构动力弹塑性分析

焦 柯 丁锡荣

（广东省建筑设计研究院，广州 510010）

广州亚运会历史展览馆结构动力弹塑性分析

焦 柯 丁锡荣

（广东省建筑设计研究院，广州 510010）

本文对碗状悬伸结构的广州亚运会历史展览馆进行了罕遇地震下动力弹塑性分析，通过分析发现了支撑上部网壳结构的剪力墙筒受压损伤严重，以及悬挑梁塑性屈服，是结构的薄弱部位。优化分析表明，在混凝土剪力墙两侧设置钢板和增加连梁，可大大减少剪力墙筒的受压损伤，满足结构的抗震性能要求。

动力弹塑性分析；碗状悬伸结构；薄弱部位；抗震性能

1 前言

图1是广州亚运会历史展览馆结构模型。比赛期间的使用面积为3 677m2，平面尺寸为56×35m，屋面高度25.8m。由观众平台下的展厅，螺旋坡道展厅以及两场馆的屋顶结晶连接体三部分组成。碗状悬伸结构跨度33m，通过下部碗底托梁支承在核心筒，核心筒平面尺寸为8m×6.6m。本文对该场馆进行罕遇地震下的动力弹塑性分析，目的一是验证弹性计算结果安全度，找出结构的破坏模式，合理控制应力、变形、稳定等指标；二是掌握结构进入塑性状态的构件数量、分布及发展情况，及各构件承载力之间的相互关系，找出结构的薄弱部位，验证结构在罕遇地震下的抗倒塌能力，从而判断结构抗震性能水准，并采取有针对性的抗震措施，保证结构安全。

图1 历史展览馆结构模型

2 分析软件及计算模型

本文采用GSEPA＋ABAQUS进行弹塑性时程分析。GSEPA是基于ABAQUS软件开发的面向建筑结构的弹塑性分析程序，利用ABAQUS作为其非线性求解器。GSEPA［2］可直接从结构设计软件读取数据，包括构件之间搭接关系、截面尺寸、材料信息、钢筋布置等，生成用于ABAQUS计算的结构模型及材料弹塑性本构参数。混凝土采用弹塑性损伤模型。混凝土材料进入塑性状态伴随着刚度的降低，其刚度损伤分别由受拉损伤参数dt和受压损伤参数dc来表达，dt和dc由混凝土材料进入塑性状态的程度决定，其数值参照混凝土材料单轴拉压的滞回曲线给出。混凝土计算选用《混凝土结构设计规范》（GB50010－2002）附录C提供的受拉、受压应力—应变关系作为混凝土滞回曲线的骨架线，加上损伤参数构成了一条完整的混凝土拉压滞回曲线，如图2所示。钢材采用等向强化二折线模型，滞回曲线如图3所示，其中强化段E’＝0.01E，采用Mises屈服准则。梁柱构件采用ABAQUS的B31梁单元模拟，该单元采用纤维束模型，能同时考虑弯曲和轴力的耦合效应；并且是Timoshenko梁，梁有剪切变形刚度。二维剪力墙和楼板构件用弹塑性损伤模型的壳元S4R和S3R模拟。

图2 混凝土拉压刚度恢复示意图

图3 钢材的拉压滞回曲线

亚运会历史展览馆计算单元数超过10万，若直接利用ABAQUS／CAE三维建模，工作量非常大。采用GSEPA程序，实现了从GSSAP模型到ABAQUS模型的准确快速转换。模型的建立有以下步骤：

（1）利用已有的Midas模型导出EXCEL表数据；

（2）利用GSSAP读取EXCEL数据，从而生成GSSAP结构模型并进行小震和中震下结构弹性分析；

（3）利用GSEPA程序将GSSAP模型及钢筋转换成ABAQUS模型；

（4）特殊信息手工辅助修改，如改变支座端约束条件等。

3 地震波选取

按照抗震规范要求，罕遇地震弹塑性时程分析所选用的地震波需满足以下频谱特性：特征周期与场地特征接近；最大峰值符合规范要求；持续时间为结构第一周期的5～10倍；时程波对应的加速度反应谱在结构各周期上与规范反应谱相差不超过20%。按照工程场地条件，选取了一组人工地震波和二组天然波（ELCENTRO波和LAN波）作为非线性动力时程分析的地震输入。采用三向波加载，主、次、竖向地震波峰值加速度比为1∶0.85∶0.65，罕遇地震最大加速度取220gal。

4 计算结果分析

4.1 整体计算结果

从表1整体计算结果看，Midas与ABAQUS计算结果基本吻合，说明由GSEPA生成ABAQUS模型是准确的。结构对不同的地震波反应强烈程度不一样，对人工波反应最为强烈，而对ELCENTRO波反应相对较弱；三向人工波作用下，网壳竖向振动效应比水平方向更加明显，主体结构顶部最大竖向位移可达0.237m。

4.2 柱底反力

结构在施加地震荷载前已施加竖向恒载和活载，图4标出地震作用下出现较大拉力的支座位置。支座91是出现最大拉力的点，其竖向反力时程见图5，最大拉力8640KN。

4.3 核心筒损伤

图6是混凝土核心筒不同时刻受压损伤图，从图中可以看出，损伤首先从碗底和墙底处剪力墙开始发展，碗底处剪力墙承受着碗底托梁传来的剪力，应力集中，所以损伤严重。

表1 结构整体计算结果汇总

图4 出现受拉支座位置（图中用圆圈标出）

图5 支座91拉力时程

图6 剪力墙受压损伤云图

图7 20秒时刻楼板受压损伤图

图8 结构薄弱部位

4.4 楼板损伤

图7为20秒时刻混凝土楼板受压损伤图，从图中可以看出，楼板损伤主要是集中在边缘连接处，其他部位损伤较小。

4.5 钢结构薄弱部位

根据图8钢结构的塑性应变可发现结构的薄弱部位，分别是与剪力墙相连屋面桁架、幕墙作用处屋面桁架、碗底托梁。

5 结构方案优化

5.1 核心筒剪力墙优化

核心筒作为整个结构主要的支撑构件，大震下不允许出现较大的损伤，为了减小混凝土剪力墙受压受拉损伤的范围和程度，采取了以下两项措施：

（1）在核心筒墙体植入厚度为25mm钢板，增加剪力墙抗弯和抗剪承载力。

（2）在碗底处增加墙体（连梁），起耗能作用。

从图9混凝土受拉损伤对比中可以看出，植入钢板有效地减小了剪力墙混凝土受拉损伤的范围和程度。增加连接墙体后，结构损伤集中在连接处墙体，起到耗能作用。模型3相对模型1刚度有所增加，并且在地震作用下损伤减少，使得碗体悬挑端竖向位移明显减小。图10是模型3和模型1悬挑端顶点（位置见图1）Z向位移时程曲线，从图中看出，模型1顶点最大位移值为－0.192 5，模型3最大位移值为－0.112 3，减少41.7%。

图9 核心筒混凝土受拉损伤对比

图10 结构顶点Z向位移

5.2 碗底托梁优化

小震下碗底支撑最大组合应力为174MPa（见图11），相当于设计强度（295MPa）的59%，满足设计要求。经大震下动力弹塑性分析，由于部分构件屈服和内力重分布，到20秒时刻，结构碗底两边托梁进入塑性，塑性应变值为4.3e－8，属轻微型。由于碗底支撑上部网壳结构，是重要的受力构件，不允许发生塑性应变，必须对其进行加强和优化。加大碗底托梁在核心筒连接处截面，箱型截面尺寸400×800×20×20改为400×800×30×30，减小截面应力。优化后，碗底托梁最大应力小于345MPa，处于弹性工作状态。

6 罕遇地震作用后结构特征周期

结构在考虑重力二阶效应和大变形的情况下，在完成动力弹塑性分析后，最终仍保持直立，满足“大震不倒”的设防要求。结构在进行弹塑性分析前，前3个周期为T1＝0.451 2，T2＝0.440 2，T3＝0.364 5，弹塑性分析后前三周期为T1＝0.499 7，T2＝0.463 6，T3＝0.385 4，第一周期增大10.7%，说明大震后整体刚度退化不大，核心筒剪力墙及竖向柱损伤较小。

7 小结

（1）广州亚运会历史展览馆结构在经历了三向地震波作用后，该结构只有很少的构件进入塑性，能承受结构本身的自重而竖立不倒，实现了“大震不倒”的设防目标。

（2）对比三组地震波计算结果，振动效应和出现塑性应变的位置基本相同，塑性应变均很小，没有迅速发展的趋势。结构对人工波反应最为强烈，而对ELCENTRO波反应相对较弱。钢结构薄弱部位分别是与剪力墙相连屋面桁架、幕墙作用处屋面桁架、碗底托梁。

（3）地震作用下支座最大竖向拉力为8 640KN，出现在角部支座位置。

（4）三向人工波作用下，网壳竖向振动效应比水平方向更加明显，主体结构顶部最大竖向位移达0.237m。

（5）在核心筒剪力墙植入钢板，有效减小了损伤程度和范围，在地震作用下连接处墙体起到耗能作用而首先破坏，其他部位受压损伤相对较小。

（6）混凝土楼板受压损伤较小，损伤主要是集中在边缘连接处，受拉损伤相对较大。

图11 碗底支撑最大组合应力

［1］中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范（GB50011－2008）［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［2］焦柯，赖鸿立等.动力弹塑性分析软件GSEPA在高层结构中的应用.第二十届全国高层建筑结构学术交流会论文集，2008.

［3］李志山，容柏生.高层建筑结构在罕遇地震影响下的弹塑性时程分析研究.建筑结构，Vol.36（S1）.2006.

The Elastic-plastic Dynamic Analysis of Asian Games Historical Exhibition Center in GuangZhou

Jiao Ke，Ding Xirong
（The Architectural Design＆Research Institute of Guangdong Province，Guangzhou 510010，China）

Asian Games historical exhibition Center in Guangzhou is a bowl shape suspension structure.The elastic-plastic dynamic analysis of its structure model under strong earthquake is carried out in this article.The analysis results show that the serious compressive damage shear-wall tube which supports the upper latticed shells and the plastic yield cantilevered beam are the weak parts of the structure.The optimization analysis shows that installing steel plate along two sides of concrete shear-wall and adding the coupling beam between two wall branches can significantly reduce the compressive damage of shear-wall tube and meet the requirements of the seismic performance.

The Elastic-plastic Dynamic Analysis；Bowl Shape Suspension Structure；Weak Parts；Seismic Performance

TU313

A

1674－7461（2010）04－0066－05

焦柯（1968－），男，教授级高级工程师。主要从事结构分析软件开发和复杂建筑结构分析工作。E-mail：gscad＠21cn.com