深圳湾创新科技中心超高层连体结构动力弹塑性分析

胡志民, 覃建华

(1 深圳湾科技发展有限公司，深圳 518057；2 深圳市建筑设计研究总院有限公司，深圳 518031)

0 引言

近年来,随着科学技术的发展,我国高层建筑建设发展迅速,建筑的功能趋于多样化,同时由于连体结构新颖、独特的空中造型使得建筑看起来更加有个性和特色,连体结构形式越来越多,各种造型越来越复杂,越建越高,对结构设计提出了更大挑战。

国内学者也对非对称连体超高层结构抗震性能、刚度和稳定性进行了研究[1-2]。李鹏[3]通过结构计算分析,提出连接体高度、连接体层数、连接体楼板和连接体梁系布置等参数对连体结构整体刚度的影响等。陈润辉等[4]通过简化的塔楼模型,用ABAQUS软件对高层连体结构项目进行动力弹塑性研究。姜文辉等[5]对连廊的支座布置方案、支座阻尼器的设置进行了分析论证,对结构整体和关键构件进行了抗震性能研究。张慎等[6]对武汉江城之门大跨刚性连体超高层混合结构项目进行了考虑收缩徐变的非线性阶段施工模拟分析,对比了典型竖向构件变形和内力重分布结果。范旭红等[7]通过对复杂连体结构的位移响应、受力响应等的分析对比,探讨了长周期地震波作用下复杂连体结构的动力响应特性。

本文基于深圳湾创新科技中心超高层连体项目,在两种不同力学模型和分析假定下,采用ABAQUS、Perform-3D两个软件对项目进行了大震下的弹塑性时程分析,研究了在大震下结构主要指标情况。

1 工程概况

深圳湾创新科技中心位于广东省深圳市南山区高新产业基地,总建筑面积为46.3万m2,包括2栋研发塔楼(塔楼2A、2B)、3栋宿舍楼(宿舍楼1A、1B、1C)、3层裙房(商业用房)及3层地下室。其中塔楼2A地上69层,结构高度为299.1m,塔尖高度为311.9m;塔楼2B地上54层,结构高度为235.2m,塔尖高度为243.7m;塔楼2A、2B与裙房分缝;塔楼2A、2B在低区6～9层、高区34～37层通过两个跨3层高的连接体连为一体,属于连体结构[8-10]。图1、2分别为该工程效果图、典型剖面图,图3为典型连体层结构平面布置图,图中虚线框内为标准层范围,图4为连体桁架示意图[11]。

图1 建筑效果图

图2 典型剖面图

图3 典型连体层结构平面布置图

图4 连体桁架示意图

根据建筑平面功能及立面需要,沿建筑外围共布置了20根框架柱,塔楼2A外框柱从基础至43层主要采用钢管混凝土叠合柱,43层至屋面采用普通混凝土柱,柱截面尺寸从下到上为1 800×1 800～1 000×1 000;塔楼2B外框柱从基础至40层主要采用钢管混凝土叠合柱,40层至屋面采用普通混凝土柱,柱截面尺寸从下到上为1 500×1 500～1 000×1 000。钢管混凝土叠合柱采用同期施工。核心筒采用钢筋混凝土筒体,塔楼2A核心筒墙厚从下到上为1 300～400mm;塔楼2B核心筒墙厚从下到上为1 000～400mm。在底部加强区、部分墙体轴压比不满足规范要求的区域、连接体及其上下层区域的核心筒墙内设置型钢。本项目结构底部墙柱混凝土采用C60,往上减小至C40[11]。

该工程结构设计基准期为50年,塔楼结构安全等级为一级。上部结构的嵌固端为地下一层楼板。抗震设防烈度为7度(0.1g),设计地震分组为第一组[12],抗震设防类别为重点设防类,建筑场地类别为Ⅱ类,特征周期为0.35s(规范值),地面粗糙度类别为C类,50年一遇基本风压为0.75kN/m2(承载力设计时风荷载效应放大系数取50年一遇基本风压值的1.1倍)[13],风荷载体型系数取1.4[14]。

本工程属于高度超限的B级高度高层建筑,同时具有 “楼板不连续” “其他不规则”两项一般规则性超限,一项不规则性超限即“复杂连接”。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[13](简称高规)第3.11.1条规定,总体抗震性能目标定为C级。

2 抗震性能目标及抗震加强措施

2.1 抗震性能目标

根据高规第3.11.1条,采用基于性能的抗震设计方法并结合超限情况,总体抗震性能目标定为C级[10],结构体系中各部分构件的抗震性能目标如表1所示,小震下塔楼2A、2B的层间位移角限值分别为1/500、1/529,大震下塔楼2A、2B的层间位移角限值均为1/100。

表1 抗震性能目标

2.2 抗震加强措施

采取的主要抗震加强措施如下[8]: 1)连体层及相邻竖向构件抗震等级提高一级;2)与连接体相邻的框架柱,在连接体区域及上下各一层范围内,柱内钢管进行截面加大加厚处理,确保连接节点安全可靠,同时保证框架柱具有足够的延性;3)连接体楼板进行加强处理,低区连接体的底层、顶层楼板厚200mm,中间层楼板厚150mm,高区连接体的底层、顶层楼板厚250mm,中间层楼板厚180mm,为减少连接体上下层刚度突变造成相连层提前破坏,连接体相邻上下各一层楼板加厚至150mm;4)加强核心筒底部加强区、连接体区域及上下各一层范围核心筒外围墙暗柱内设置钢骨,提高构件承载力,同时加强结构延性。

3 大震动力弹塑性时程分析

3.1 建立分析模型

分别用ABAQUS软件和Perform-3D软件建立深圳湾创新科技中心结构有限元分析模型,对结构在大震作用下的安全性能进行分析论证,图5、6为该工程大震动力弹塑性分析整体模型图,两种软件材料本构、分析模型见表2[15]。

表2 两种软件材料本构、分析模型

图5 ABAQUS模型

图6 Perform-3D模型

图7 力-变形关系曲线图

本结构在大震下的阻尼比ξ取0.05[12]。非线性分析中阻尼通常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如式(1)所示:

(1)

式中ωA、ωB分别为结构频段A、B点的圆频率。

3.2 大震构件性能目标

高规将结构的抗震性能分为1～5五个水准,对应的构件损坏程度则分为无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏五个级别。在ABAQUS中构件的损坏主要以混凝土的受压损伤因子及钢材(钢筋)的塑性应变程度作为评定标准,其与高规中构件的损坏程度对应关系如表3所示[8]。

表3 ABAQUS构件损坏标准

Perform-3D模型中,本项目以结构强度和变形能力小于规定的防止倒塌(CP)状态为目标,结构变形能力参考《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)和ASCE41-06[16],各类构件性能水准对应的塑性铰转动限值详见表4。

表4 Perform-3D构件性能水准对应的塑性铰转动限值

3.3 地震波选取

选择了两组天然波和一组人工波来进行结构的大震弹塑性时程分析。采用三向地震波输入,X、Y向输入时,三向地震波加速度峰值比分别为X∶Y∶Z=1∶0.85∶0.65和X∶Y∶Z=0.85∶1∶0.65,地震波加速度峰值取220gal,持续时间都为40s。图8为人工波X向波形图,三条地震波的平均地震影响系数曲线与反应谱地震影响系数曲线[15]对比示意图见图9,从图9可以看出,在对应于结构主要振型的第1、2、3周期点上相差比例分别为9.95%、-11.09%、1.09%,均不大于20%。

图8 人工波X向波形图

图9 三条地震波平均谱值与规范反应谱对比示意图

3.4 整体计算结果

通过Perform-3D、ABAQUS计算得到整体模型的大震动力弹塑性时程分析结构见表5。由于两个软件在模型分析中存在一定差异,如ABAQUS中楼板采用内置的弹塑性壳单元,而Perform-3D中楼板采用刚性假定,又如ABAQUS考虑了钢筋质量影响等,所以两者计算结果存在一定误差。但从表5中可以看出,Perform-3D、ABAQUS整体模型大震动力弹塑性时程分析大体上是基本吻合的,证明该模型可以用来做大震弹塑性时程分析[17]。

表5 整体模型大震动力弹塑性时程分析结果

3.4.1 层间位移角和楼层位移

图10、11分别为X、Y向层间位移角对比图,从图中可以看出:大震下X、Y向最大层间位移角分别为1/152、1/167,小于规范限值1/100;两个软件计算的层间位移角的变化趋势及最大层间位移角所在的层数(除顶部楼层外)大致一样,但由于两个软件其处理非线性方法不同,ABAQUS采用显式动力分析方法,材料采用的是弹塑性损伤纤维束模型,而Perform-3D只能采用隐式动力分析方法,材料采用的是弹性杆+曲率型塑性铰模型,也导致其局部有较大差异,同时这也是ABAQUS能够很好地反映鞭梢效应,而Perform-3D不能很好反映的原因之一,因为鞭鞘效应影响导致非线性程度加深,从而造成两个软件计算结果差距较大[18]。

图10 X向层间位移角对比图

图12、13为塔楼2A、2B的X向小震弹性与大震弹塑性顶点位移时程对比图。由图12、13可以看出:1)初始阶段,弹性、弹塑性分析的顶点位移时程基本吻合,在10～20s区间ABAQUS软件计算的顶点位移峰值明显比Perform-3D相应值大,主要是由于前者计算出的弹塑性损伤较深,再往后两者波幅基本一致,但有一定的相位差[12];2)相较于弹性分析,弹塑性分析顶点峰值位移出现时间晚;3)随着塑性的发展,耗能增加,弹塑性分析顶点位移衰减速度大于弹性分析结果。

图12 塔楼2A的X向顶点位移时程

图13 塔楼2B的X向顶点位移时程

3.4.2 基底剪力

经计算分析,结构在小震、大震作用下基底剪力见表6,从表中可以看出,结构在三条地震波作用下,采用Perform-3D软件计算的大震基底剪力与小震基底剪力比值偏小,X、Y向大震与小震基底剪力比最大值为4.83,表明结构在大震作用下基底剪力有减小的趋势,结构塑性发展程度较为显著,结构刚度下降较多,地震波输入的能量被进入塑性阶段的构件有效地耗散。但从表6中也可以看出,ABAQUS计算出的基底剪力普遍比Perform-3D偏大,主要是由于前者能够很好地反映鞭梢效应及非线性对结构的影响[12],所以导致ABAQUS损伤较Perform-3D偏小。

表6 结构基底剪力

3.4.3 能量耗散

大震作用下结构对地震能量的耗散分布时程见图14、15。输入结构的地震能量一部分通过动能和应变能形式转换输出,一部分由结构自身消耗包括阻尼耗能和塑性耗能,当结构仍处于弹性状态时,能量输出主要由动能、应变能和阻尼耗能组成,当出现塑性耗能后,表明结构已有部分构件进入塑性耗能状态,这时阻尼耗能也相应增大。对比图14、15可以看到,ABAQUS计算塑性耗能约占25%,小于Perform-3D计算的塑性耗能40%,ABAQUS计算的弹性应变能比Perform-3D大,主要是由于ABAQUS能够很好地模拟非线性损伤,且ABAQUS楼板采用内置的壳单元,剪力墙考虑了轴力、弯矩和剪力的耦合,而Perform-3D楼板采用的是刚性楼板,剪力墙采用的是纤维模型,剪切铰考虑剪力影响,导致其非线性程度不如Perform-3D[18]。总体上来看,结构趋于稳定,整体结构大震不倒。

图14 ABAQUS能量耗散分布时程

图15 Perform-3D能量耗散分布时程

3.4.4 结构塑性损伤情况

图16、17分别为ABAQUS和Perform-3D计算的框架梁、框架柱损伤和塑性铰分布情况,其中OP为正常运行状态。从图16、17中可以看出:框架梁损伤和塑性铰主要集中在上部几层和连体相关楼层,属于中度损坏,部分比较严重损坏,满足最小抗剪截面要求;底部加强区塔楼外框架柱、连体部位及上下一层的竖向构件满足罕遇地震作用下轻度损坏性能目标;非底部加强区、 非连体区及上下各一层塔楼外框架柱满足罕遇地震作用下部分构件中度损坏性能目标。

图16 ABAQUS计算的框架、梁柱受压损伤

图17 Perform-3D计算的框架梁柱、受压损伤

图18、19分别为ABAQUS和Perform-3D计算的连梁、剪力墙及连体钢结构损伤情况。从图18、19可以看出,底部加强区剪力墙、连接体区域及上下一层的剪力墙混凝土最大受压损伤因子dc=0.097<0.1,且损伤宽度小于横截面宽度的50%,属于关键构件轻度损坏,非连体部位及上下一层的剪力墙混凝土最大受压损伤因子0.1

图18 ABAQUS计算的连梁、剪力墙及连体钢结构损伤

图19 Perform-3D计算的连梁、剪力墙及连体钢结构损伤

从图18、19亦可以看出:ABAQUS非线性程度较Perform-3D小,由于连梁作为整个结构耗能的第一道防线,其损伤程度Perform-3D比ABAQUS更显著,这是由于两个软件分析方法不同所致;连梁部分出现塑性铰,主要集中在连体上部楼层部分,部分达到了严重损伤,但连梁总体满足大震作用下中度损坏、部分比较严重损坏,从而通过自身的塑性变形耗散了部分地震能量,实现了其作为第一道设防体系来消耗和保护墙肢的目的,是其“保险丝”功能得以实现的体现[7],并满足最小抗剪截面性能目标要求;连体桁架钢结构未出现塑性,满足大震作用下不屈服性能目标;剪力墙也基本满足设定的性能目标要求。

总体来看,构件损伤及塑性铰数量最多的是连梁,其次是框架梁,最后是框架柱。

图20为ABAQUS计算的典型连体部位楼板损伤情况。由图20可见,楼板损伤的范围很小,属于轻微损伤,满足部分屈服性能目标,连体与塔楼交接处、电梯井外墙与楼板交接处以及薄弱连接部位楼板配筋应有所加强,满足大震下中度损坏性能目标。

图20 典型连体部位楼板损伤情况

4 结语

(1)ABAQUS和Perform-3D两个软件计算结果的整体结构性能指标、顶点位移、基底剪力、能量耗散以及结构塑性损伤情况均满足设定的性能目标要求。

(2)结构顶部几层框架梁出现轻微损坏,从进入轻微损伤的钢筋分布来看,结构框架的屈服机制为先框架梁后框架柱。

(3)从剪力墙混凝土的受压损伤过程来看,在顶部几层和剪力墙收进位置剪力墙出现轻微损伤,剪力墙收进部位是本结构的主要薄弱位置,是本结构着重需要改善加强的部位,剪力墙构件仅局部出现轻微损坏,抗震性能良好,满足大震作用下性能目标。

(4)结构连梁中度损坏、部分连梁比较严重损坏,满足大震作用下部分抗弯屈服、抗剪部分屈服性能目标。

综上所述,结构屈服机制为连梁-框架梁-框架柱,屈服机制合理,符合抗震概念设计的屈服顺序,且大震下主承重剪力墙、框架柱、连体部位钢结构、楼面梁的损坏程度均可控制在轻微损坏至轻度损坏,满足所设定的抗震性能目标的要求。