基于PERFORM-3D的某超限高层结构动力弹塑性分析

罗　凡

(厦门合道工程设计集团有限公司　福建厦门　361004)



基于PERFORM-3D的某超限高层结构动力弹塑性分析

罗凡

(厦门合道工程设计集团有限公司福建厦门361004)

某超限高层办公大楼采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，为了全面评估其抗震性能水平，借助三维非线性结构分析软件PERFORM-3D对该超限结构进行罕遇地震作用下的动力弹塑性分析，得到了结构的整体地震响应和构件性能状态。分析结果表明，结构满足规范规定的层间位移角要求，各构件基本实现预先设定的抗震性能目标水准。

框筒结构；动力弹塑性分析；PERFORM-3D；抗震性能

E-mail:250258786@qq.com

1　工程概况

本项目位于福建省泉州市城东片区，该办公大楼为总建筑面积6.3万平米的5A综合楼(1至4层为商业及办公；5～33层为办公,12、23层为避难层)，规划高度为133.6m(图1)。建筑抗震设防类别为丙类，建筑结构安全等级为二级，设计使用年限50年。所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g，设计地震分组：第三组；场地类别：Ⅱ类；特征周期根据规范[1]为Tg=0.45sec(安评报告小震为Tg=0.45sec)，按建筑类别调整后用于结构抗震验算的烈度为7度，按建筑类别及场地调整后用于确定抗震等级的烈度为7度。

2　结构体系设计及超限情况说明

2.1结构体系研究

图1　办公大楼效果图

本工程采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系。主楼建筑高度为133.5m,宽度为38.0m,高宽比为3.51，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(下简称《高规》)[1]3.3.2条中框架-核心筒7度最大高宽比为7的要求；核心筒的宽度为19.0m，筒体高度与宽度比为7小于12；主楼高度超过《高规》[1]表3.3.1～1中框架-核心筒结构体系7度最大高度130m的限值，适用于B级高度。

楼面结构：上部楼层板采用钢筋混凝土梁、板体系，厚度120～150mm，屋面板板厚120～150mm。 结构采用钢筋混凝土柱，底层柱断面1 300mm×1 300mm～1 600×1 600mm，往上到二十九层逐渐减小至1 000mm×1 000mm，顶部几层柱断面进一步缩减至800mm×800mm；剪力墙采用钢筋混凝土墙，内筒外围墙体厚度由700mm变化到450mm，内部墙体厚度400mm～200mm。

2.2结构体系布置

结构三维模型及标准层结构平面如图2和图3。

图2　结构三维模型图

图3　标准层结构平面图

2.3超限情况的认定

依据住建部建质[2010]109号文件《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，经初步判断，本建筑物存在需抗震设防专项审查及主要超限情况如下:

(1)考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2，属扭转不规则；

(2)一层存在局部穿层柱；

(3)本工程结构总高度为133.5m，超过7度区框架-核心筒结构130m的高度限值。

3　抗震性能目标确定

针对本结构超限及不规则情况，综合考虑《建筑抗震设计规范》[2]的要求，将本工程的抗震设防性能目标确定为 C 级，结构分析中采用基于性能的抗震设计方法，并参照美国规程 ASCE41，将结构性能水平分为以下 4 个阶段(图4)：弹性阶段(OP)、立即使用阶段(IO)、 生命安全阶段(LS) 、防止倒塌阶段(CP)[3]，针对整体结构及结构构件分别设定了罕遇地震作用下的抗震性能目标，具体内容见表1。

表1　抗震性能目标

图4　性能水平示意图

4　罕遇地震动力弹塑性分析

为判断结构是否满足预先设定的抗震性能目标，本工程采用PERFORM-3D对整体结构进行了动力弹塑性分析。计算时考虑几何非线性P-Δ效应和材料非线性，采用瑞利阻尼。

4.1材料本构

钢筋和钢材本构模型采用三折线模型(图5)，在循环过程中不考虑过极限点的刚度退化。混凝土采用多折线模型来模拟混凝土受压应力应变关系，根据混凝土结构设计规范(GB 50011-2002)[4]附录C的公式确定相关参数，不考虑混凝土的受拉承载力(图6)。本工程钢筋均采用HRB400，竖向构件混凝土强度等级为C60～C35，梁板混凝土强度等级为C35～C30。

图5　钢筋和钢材本构模型

图6　混凝土本构模型

4.2构件单元模型

楼面的框架梁由两端的弯矩-曲率型塑性铰+中部弹性杆组成，对混凝土连梁，除设弯矩转角铰外，另加设剪力位移铰(图7)。框架柱和剪力墙单元采用纤维单元模型[5](图8)。

(1)框架梁单元

(2)连梁单元图7　框架梁和连梁单元基本组成

(1)框架柱单元 (2)剪力墙单元图8　框架柱和剪力墙正截面纤维模型

4.3地震波的选取

通过小震弹性时程分析选波原则和方法，选取了5条天然波和2条人工波，地震参数详见表2。进行时程分析时，各分析工况均采用双向输入，主、次方向地震强度比按1∶0.85确定，总计14个工况。

表2　地震参数

4.4分析结果

4.4.1动力特性

分别采用Perform-3D和SATWE进行模态分析得出的结果如表3、表4所示，两者前三阶周期和模型总质量基本一致，说明所建立的Perfrom-3D模型是可靠和合理的。

表3　振型结果

表4　模型总质量　t

4.4.2结构整体地震响应

结构在0°和90°主方向罕遇地震作用下，结构的层间位移角如图9所示。从图9中可以看出，结构在7条地震波作用下，X向最大平均层间位移角为1/288，出现在20层；Y向最大平均层间位移角为1/246，出现在22层，均小于规范限值1/100，结构的整体刚度满足抗震规范要求。

(1)X向　　　　(2)Y向图9　层间位移角

4.4.3结构构件抗震性能评估

选取地震响应较大的GM2波在X主方向作用下的计算结果进行性能评估说明。构件在各水准下的塑性状态通过抗震性能水平图中的颜色表现出来，红色表示构件超过了预定的损伤极限状态， 黄色、绿色、蓝色所表示的损伤程度依次降低，且均不超过预定的损伤程度，其所处的状态与极限状态的比值可以自己定义[6]。

剪力墙的抗震性能水平如图10所示。从图10中可以看出，剪力墙在地震作用下，钢筋拉应变处于OP阶段，即弹性阶段；底部加强区混凝土压应变也没有进入塑性，塑性变形保持在OP～IO阶段，即正常运行阶段，其余区域混凝土压应变均处于弹性阶段。提取筒体剪力墙轴力时程曲线，观察到在整个地震过程中剪力墙未出现拉力。

外框柱的抗震性能水平如图11所示。从图中可以看出，在地震作用下，外框柱没有进入塑性，底层外框柱塑性变形保持在OP～IO阶段，即正常运行阶段，其余外框柱均处于OP阶段，即弹性阶段，保证了外框柱形成结构的二道防线。提取外框柱轴力时程曲线，观察到在整个地震过程中外框柱未出现拉力。

(钢筋拉应变水平)　　　　(混凝土压应变水平)

图10　剪力墙钢筋拉应变和混凝土压应变水平

图11　外框柱抗震性能水平

(1)全部楼层　　　　(2)局部楼层

图12　楼层梁抗震性能水平

框架梁和连梁的抗震性能水平如图12所示。从图中可以看出，在地震作用下，全楼大部分框架梁和连梁均进入了塑性阶段，中间层的塑性变形较大，上部和下部的梁塑性变形较小。其中联系筒体和外框架之间的框架梁基本处于LS阶段，即生命安全阶段，而核心筒内的连梁损伤较严重，塑性变形较大，处于或部分超过CP阶段，即安全极限状态，在地震作用下，逐步退出工作，这也符合连梁作为主要塑性耗能构件的要求。

4.4.4耗能分析

结构在GM2波作用下的能量耗散图如图13所示。输入结构的地震能量主要有四种形式的输出途径，分别是动能、应变能、阻尼耗能和滞回耗能。图中红色部分为构件非线性滞回耗能，所占比例较低，大约为30%，主要是通过框架梁和连梁的塑性变形产生，而阻尼耗能所占比例较高，说明结构大部分构件还处于弹性状态或轻微的塑性状态。通过连梁在地震作用下的滞回曲线(图14)可以看出，该曲线形状较为饱满，也说明连梁的设置起到了耗散和吸收大部分地震波能量的作用，从而保护了其他关键构件。

图13　罕遇地震下耗能分配图

图14　连梁滞回曲线图

5　结论

通过建立基于PERFORM-3D软件的有限元模

型，对结构进行罕遇地震作用下的动力弹塑性分析，得到了结构整体地震响应以及结构构件的抗震性能水平。在7条地震波作用下，结构的层间位移角均满足规范要求。竖向构件塑性变形小，抗震性能水平基本处于立即使用阶段。楼层框架梁和连梁消耗了大部分的地震能量，进入了较高程度的非线性状态，部分连梁达到了设定的防倒塌阶段。经过综合分析和评估，该超限高层框筒结构能够满足“大震不倒”的设防标准和其他各项性能目标。

[1]JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京: 中国建筑工业出版社，2011．

[2]GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京: 中国建筑工业出版社，2010．

[3]ASCE/SEC41-46 Seismic Rehabilitation of Existing Buildings[S]．USA: American Society of Civil Engineers，2007．

[4]GB 50011-2002 混凝土结构设计规范[S].北京: 中国建筑工业出版社，2010．

[5]CSI Perform components and elements for PERFORM-3D and PERFORM-COLLAPSE [M].Computers and Structures Inc．，Berkeley，California，2006

[6]贾庆国，王曙光，刘伟庆，等.常州凯越中心12#楼抗震性能研究[J].建筑结构，2013, Vol.23(S1): 504-508.

罗凡(1986.05- )，男，硕士，工程师，主要从事建筑结构抗震分析和设计方面的工作。

Dynamic nonlinear analysis of a high-rise building based on PERFORM-3D

LUOFan

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Co.,Ltd.,Xiamen 361004)

RC frame-tube structure is adopted for a high-rise building beyond code limits. In order to evaluate the structural seismic performance, the dynamic nonlinear analysis was carried out by means of three dimensional nonlinear structure analysis software PERFORM-3D。The overall seismic response of the structure and the performance status of the members are obtained. The analysis results show that the story drift satisfies the requirement of specifications. All components achieve the intended target performance levels.

Framed-tube structure; Dynamic nonlinear analysis; PERFORM-3D; Seismic performance

罗凡(1986.5-)，男，工程师。

2015-11-26

TU973

A

1004-6135(2016)01-0072-05