某超高层建筑罕遇地震下的结构弹塑性分析

王 东 方

(北京清华同衡规划设计研究院有限公司，北京 100083)



某超高层建筑罕遇地震下的结构弹塑性分析

王 东 方

(北京清华同衡规划设计研究院有限公司，北京 100083)

结合某超高层建筑的实际情况，运用Abaqus对结构整体及主要构件进行了大震下的动力弹塑性时程计算，分析其在大震下的响应与性能，结果显示，结构性能满足大震不倒的抗震目标。

高层建筑，Abaqus，动力弹塑性，抗震性能

0 引言

Abaqus通用有限元分析软件为国际上著名的力学非线性分析平台，具有强大的非线性处理能力，目前Abaqus已经在航空航天、机械制造、石油化工、汽车交通、土木工程、国防军工、水利水电等众多领域中都得到了广泛应用。近年来在土木工程中，Abaqus得到了国内外众多土木工程师的极大重视，国内不少超高层建筑在罕遇地震下的弹塑性分析都是通过Abaqus软件完成的[1-7]。出于Abaqus优秀的非线性力学分析能力，目前在超限项目罕遇地震下的弹塑性分析中，通常会采用Abaqus软件进行模拟计算，以更好地为该结构的抗震设计提供指导与参考。

1 项目情况

本项目为一超高层建筑(标准层平面见图1)，塔楼地上75层，主屋面处结构高度326.5 m，采用巨柱+伸臂+核心筒结构体系，主要结构构件包括钢筋混凝土核心筒、钢管混凝土巨柱、钢伸臂以及钢管混凝土柱+钢梁外框架。沿着高度方向共设置三道伸臂桁架：分别位于22层、38层、52层三个避难层。该工程抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，场地类别Ⅱ类，场地特征周期0.35 s(计算罕遇地震作用时，0.45 s)。

2 Abaqus有限元模型

2.1 非线性有限元整体模型基本要素

在采用Abaqus软件进行动力弹塑性时程分析时，由于结构罕遇地震作用下的大位移以及结构材料的弹塑性行为，需要考虑众多的几何与材料等非线性因素：几何非线性;材料非线性;动力分析方程数值求解方法;荷载工况等。

2.2 主要构件有限元模型

1)钢筋混凝土核心筒剪力墙。Abaqus提供了包含钢筋层的复合壳单元，并且可以考虑钢筋层沿着壳厚度方向的位置以及钢筋分布方向，因此该单元不管在壳体的平面内还是平面外，都可以很好地模拟钢筋混凝土剪力墙中钢筋同混凝土的协同受力。

剪力墙的材料模型基本考虑如下：钢筋采用双线性随动硬化模型；混凝土选取Abaqus材料库中提供的混凝土损伤(Concrete Damaged Plasticity)模型，该模型为各向异性材料，可以考虑混凝土刚度退化以及拉压循环反向加载时的刚度恢复等特性。

2)钢管混凝土柱(巨柱、普通框架柱)。由于钢管混凝土柱包含两种材料，在同样位置需分别建立钢管以及混凝土两个重合B31单元，重合单元拥有共同节点，可以迫使钢管单元与混凝土单元协同受力，在截面平面内满足变形协调。

3)钢框架梁。钢梁在力学性能上相对来说比较简单，在有限元计算模拟的时候采用B31单元即可予以模拟分析，根据梁的轴线长度，一般将梁划分为5段～7段，极个别短梁划分为3段。

4)剪力墙连梁。钢筋混凝土连梁是核心筒剪力墙中主要的耗能构件，在有限元计算的时候需要考虑混凝土与钢筋的协同工作以及混凝土进入塑性之后的合理本构关系。然而在Abaqus材料库中，混凝土弹塑性损伤模型只适用于二维与三维单元，不适用于一维梁单元。为此计算中基于刚度与屈服弯矩等效的原则，采用理想弹塑性材料与梁单元模拟钢筋混凝土连梁，能够在一定程度上消除以上缺陷对计算精度的影响。

5)加强层伸臂。加强层伸臂斜腹杆为钢材料工字梁，采用B31梁单元进行模拟。

6)楼板。在加强层伸臂附近的楼板往往会承担较大的面内膜力，可能开裂或者进入塑性。在这种情况下，刚性板是不适合的，在本次计算中，Abaqus有限元模型中采用壳单元模拟楼板，这样可同时考虑楼板的面内面外刚度对结构动力响应的影响。

2.3 结构阻尼

选取对结构动力响应影响最大的前两阶模态，假设这两个振型阻尼比为5%，通过瑞利阻尼与振型阻尼比的对应关系可反算得到alpha与beta两个阻尼系数[7]。在本次计算中，瑞利阻尼最后确定为：alpha=0.087 3，beta=0.019 4。

2.4 输入地震波的分析及选用

本项目性能化分析总共选取了三组地震波(50年超越概率为2%)，其中包括两组天然波(NO1，NO2)和一组人工波。

3 罕遇地震计算结果分析

3.1 结构整体抗震性能评价

罕遇地震下结构整体抗震性能指标一般包括结构基底剪力、层间位移角以及结构顶点位移。表1为30 s计算时程内结构顶点最大位移、最大层间位移角以及最大基底剪力。

由表1可以看出，结构在罕遇地震(NO1，NO2以及人工波)作用下X向最大顶点位移为1 152 mm，Y向最大顶点位移1 029 mm。计算中考虑了结构的几何非线性以及材料非线性，相当于考虑了重力荷载的高阶效应以及结构大变形的影响，计算结果显示结构最终仍保持直立，满足“大震不倒”的设防要求。同时结构最大层间位移角X向为1/172，Y向为1/207，均小于1/100。由此可以看出，在罕遇地震作用下，结构弹塑性变形满足抗震规范的要求。综合以上三个结构整体性能指标，人工波的地震反应最大，因此，在以下构件层次评估中主要以人工波为例进行分析。

表1 结构整体抗震性能指标计算结果

3.2 结构构件的抗震性能评价

1)钢管混凝土柱。钢管最大mises应力为178.5 MPa，远小于钢管屈服应力345 MPa；混凝土最大mises应力为28.94 MPa，最大应力出现在结构底层，低于底层C60混凝土的抗压强度标准值38.5 MPa；钢管与混凝土等效塑性应变为0。以上结果显示，在罕遇地震作用下，钢管混凝土柱处于弹性工作状态，竖向承载力有较大的安全度。

2)外框架梁。框架最大mises应力为253.5 MPa，且最大应力位于外框架钢梁上，低于Q345钢材的屈服应力345 MPa，因此外框架梁处于弹性工作状态，其承载力具有较大的安全裕度。

3)核心筒剪力墙。核心筒钢筋混凝土剪力墙为结构中最重要的竖向承载构件，结果显示：a.混凝土只有很小的局部区域有受压损伤，核心筒外墙局部受压损伤因子最大值在0.316～0.559 7之间，损伤部位位于加强层伸臂与混凝土墙体连接部位；核心筒内墙基本上没有受压损伤，其各自损伤因子最大值基本上为3e-3，损伤极小，而且分布范围很小。一般来说当混凝土达到受压强度标准值峰值时，其受压损伤因子大致为0.2～0.3，因此以上数据表明核心筒墙体在罕遇地震作用下基本上不会发生受压破坏。b.核心筒墙体局部有较大的受拉损伤，其分布位置大致在顶部伸臂加强层以上部分墙体、第一与第二道伸臂与混凝土连接部位以及结构底部墙体。由于这些部位或者存在较大的拉力、剪力，或者存在一定的应力集中，产生较大的受拉损伤是较为正常的现象，应该在这些部位墙体内设置斜撑加强，伸臂节点处还应该采取必要措施对节点进行加强。

4)连梁。连梁是核心筒混凝土墙体重要的耗能构件，结果显示：大约1/2连梁的端部塑性应变较大，大部分连梁进入塑性，从而形成塑性铰，这将对地震能量造成一定程度的耗散；核心筒外部墙体连梁最大塑性应变为3.2e-3，低于混凝土抗压极限塑性应变0.003 3，且只有少部分连梁塑性应变能够达到0.003，这表明外墙体连梁只是进入塑性，基本上不会发生受压破坏；核心筒内部墙体连梁最大塑性应变为4.76e-3，只有一根连梁塑性应变能够达到此值，大部分连梁塑性应变低于0.003，因此内墙墙体连梁同样也基本不会发生受压破坏。以上分析表明，核心筒混凝土连梁能起到较好的耗能效果，但不会发生严重破坏，从而对墙体起到较好的保护作用。

5)加强层伸臂腹杆。在30 s计算时程中，斜腹杆内产生的最大轴力6.434 MN，应力水平大致为300 MPa，这表明斜腹杆处于弹性工作状态，具有较大的安全裕度。

4 分析结论

罕遇地震下结构弹塑性动力时程分析的计算结果显示，结构在大震下的性能表现比较合理，满足大震不倒性能指标。具体情况如下：

1)在罕遇地震作用下，该结构楼层弹塑性层间位移角小于规范限值0.01(1/100)，表明结构变形在规范要求范围之内，满足大震不倒的抗震性能要求。2)核心筒钢筋混凝土剪力墙基本上没有受压损伤，表明剪力墙承受竖向荷载拥有较大的安全裕度。局部核心筒墙体受拉损伤较大，但在所有剪力墙中所占比重较小。3)大部分钢筋混凝土连梁端部进入塑性状态，端部形成塑性铰，但绝大部分连梁混凝土塑性应变小于极限应变0.003 3，因此不会发生严重损坏。4)钢管混凝土柱中钢管、混凝土以及外框架梁均处于弹性状态，拥有较大的安全裕度。5)在大震作用下，伸臂桁架构件保持在弹性状态，因此能够达到性能目标。6)综上所述，本项目塔楼在罕遇地震作用下，结构整体性能与结构构件性能均能满足要求，结构有较大的安全储备。

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Dynamic elastic-plastic analysis of a high-rise structure exposed to severe earthquake

Wang Dongfang

(BeijingTsinghuaUrbanPlanningandDesignInstituteCo.,Ltd,Beijing100083,China)

Combining with some high-rise building, the paper adopts the abaqus to undertake the dynamic elastic-plastic time-history calculation for the structure and its main components, analyzes the response and performance under large-scale earthquakes, and proves by the result that the structural performance meets the demands for the seismic aims.

high-rise building, Abaqus, dynamic elastic-plastic property, seismic performance

1009-6825(2016)10-0042-02

2016-01-22

王东方(1974- )，男，博士，工程师

TU313.3

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