深圳平安国际金融中心的罕遇地震弹塑性时程分析

表4
□1000 × 1000 × 100 × 100 H1000 × 800 × 100 × 100
腹杆
图4
结构主抗侧力体系
［3 ］ 型、 构件模型、 整体模型 。 （ 1 ） 材料模型： 工程采用两种基本材料， 即钢
材和混凝土。钢材采用双线性动力硬化模型， 在循 环过程中， 无刚度退化， 但考虑了包辛格效应。 钢 材的强屈比设定为 1． 2 ， 极限应力所对应的极限塑 性应变为 0． 025 。 混凝土采用弹塑性损伤模型， 可考虑材料拉压 强度的差异， 刚度、 强度的退化和拉压循环的刚度 恢复。混凝土的刚度退化分别由受拉损伤参数 d t 和受压损伤参数 d c 来表达。 混凝土的应力应变关 系和刚度退化参数如图 5 所示。 （ 2 ） 构件模型： 采用一维杆件弹塑性单元 B31 模拟楼面梁、 次结构框架柱、 巨型斜撑和巨型桁架 等构件。该单元采用纤维束模型， 能同时考虑弯曲 并且具有剪切刚度， 能正确计 和轴力的耦合效应，
第 41 卷 增刊 2011 年 4 月
建 筑 结 构 Building Structure
Vol． 41 S1 Apr． 2011
深圳平安国际金融中心的罕遇地震弹塑性时程分析
1， 2 1， 2 1， 2 1， 2 1， 2 黄忠海 ， 廖 耘 ， 王远利 ， 曹春华 ， 李志山
（ 1 广州容柏生建筑结构设计事务所 ，广州 510170 ； 2 广州数力工程顾问有限公司，广州 510170 ） ［ 摘要］ 深圳平安国际金融中心为一栋结构高度达 540m 的复杂超高层建筑， 设计采用了劲性钢筋混凝土核心
（ 1 RBS Architecture Engineer Design Associate， Guangzhou 510170 ， China； 2 Guangzhou Scientific Computing Consultants Co． ，Ltd． ，Guangzhou 510170 ，China） Abstract ： PINGAN IFG is a 540 meters height composite structure． Its lateral loads resist system is consist of composite steel concrete shear wall core，perimeter giant braceframe and belt truss． Without simplification，nonlinearities of the strain relation level． The explicit method was implemented to beam，column and shear wall element are modelled in stressintegrate the dynamic equations． ABAQUS and BEPTA were used to perform the elasticplastic timehistory analysis under the rare earthquake load． The seismic performance of the structure was studied． The results show that the structure has sufficient seismic capacity and ductility． The goal of collapse prevention under expected rare earthquake is achieved，and the proposed analysis is reliable and promising． Keywords： PINGAN IFG； super highrise building； elasticplastic timehistory analysis； ABAQUS； BEPTA
图5
混凝土拉压刚度恢复示意图
采用 ABAQUS 的二维弹塑性壳单元 S4R 模拟 剪力墙和楼板。 该单元可采用混凝土损伤塑性模 Damage ） 的本构关系； 可叠加 rebarlayer 型 （ Plastic考虑多层分布钢筋的作用； 同样可模拟大变形、 大 应变的特点， 适合模拟剪力墙和楼板在大震作用下 进入塑性的状态。 本工程剪力墙的长度和厚度都很大 ， 其端部约 束边缘构件如采用集中杆单元模拟会有较大误差 ，
主 塔 楼 地 上 共 111 层， 结 构 高 度 540m， 结构 顶 部 为 106m 高 的 钢 结 构 塔 尖， 塔尖 高 度 646m。 地 面 以 下 为 五 层 地 下 室， 用 作零售、 泊车等功能。 主塔楼建筑外立
图1 建筑效果图
Email： 作者简介： 黄 忠 海， 硕 士， 工 程 师， 一 级 注 册 结 构 工 程 师， huangzhonghai19@ 163． com。
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核心筒剪力墙厚度 / mm
楼层 墙厚 1 ～5 1500 6 ～ 11 1400 12 ～ 36 1300 37 ～ 65 1100 66 ～ 96 800
建
筑
结
构
2011 年
表1
97 ～ 111 500
外框巨型柱截面及材料强度等级
楼层 截面 混凝土 强度等级 含钢率 1 ～ 14 5500 × 3500 C70 6% 15 ～ 30 500 × 3500 C70 5% 31 ～ 53 4500 × 2700 C70 4% 54 ～ 84 3500 × 2700 C60 4% 85 ～ 102 3250 × 2200 C60 3%
表2
103 ～ 111 2000 × 2000 C60 4%
图3 外圈巨型支撑截面 / mm
楼层 截面 1 ～5 □1000 × 1000 × 100 × 100 6 ～ 25 □1000 × 1000 × 100 × 75 26 ～ 50 □1000 × 2000 × 120 × 120
腰桁架层结构布置图
图2
标准层结构布置图
为深入研究此结构体系在罕遇地震作用下的 抗震性能， 采用 ABAQUS 软件， 结合自行开发的前 ［2 ］ 后处理程序 BEPTA ， 对其进行了罕遇地震作用 下的动力弹塑性时程分析。 2 弹塑性分析模型 在工程的非线性地震反应分析模型中 ， 所有对 结构刚度有贡献的构件均按实际情况模拟。 该非 线性地震反应分析模型可划分三个层次 ： 材料模
［4 ］ 无法体现边缘构件对剪力墙的二维约束效果 。 因此仍采用二维单元模拟剪力墙边缘构件 ， 并根据
结构在大震下各振型的阻尼比 ξ 均取 0． 05 。 在弹塑性时程分析中， 由于采用直接积分法求解， 不能直接代入振型阻尼比， 通常是采用瑞雷阻尼来 等效模拟。瑞雷阻尼分为质量阻尼 α 和刚度阻尼 β 两部分。 在弹塑性时程分析中输入一个固定的质量 阻尼 α 和刚度阻尼 β 将导致结构高频部分动力响应 偏小， 如仅采用质量阻尼 α 又会导致高频部分响应 与实际情况均有较大偏差。 偏大， 结构动力方程 MX i + CX i + KX i = － MZ i 的第 2 项为阻尼矩阵 C 乘速度矩阵 X i 。 而在显式积分 方程中， 阻尼矩阵可进一步简化为对角矩阵 ： C1 C2 … Cn
1
工程概况
平安国际金融中心主塔楼位于深圳市福田中 ， 心区 是一幢以甲级写字楼为主的综合性大型超高 层建 筑， 其他功能包 括商业、 观光娱乐、 会 议中心和交易等五大 功 能 区 域， 总用地面
2 积约为 1． 9 万 m ， 总 2 建筑面积约 46 万 m 。
建筑效果见图 面通过巨型柱的逐步倾斜形成收进 ， 1， ， 建筑平面为四角内缩的正方形 并沿着建筑高度 逐渐缩小， 结构平面布置见图 2 和图 3 。 主塔楼的抗侧力体系由劲性钢筋混凝土核心 筒 + 外围巨型框架 + 外围巨型支撑 + 钢伸臂桁架 组成， 其中外围巨型框架由型钢混凝土巨型柱 + 周 边空间钢腰桁架 + 角部 V 形钢支撑组ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。 核心筒 剪力墙在结构的上部有部分收进， 外框的巨型柱由 于建筑体型的要求在局部高度有倾斜 ， 在角部两个 巨型柱之间设置 V 形支撑以增强角部两巨柱之间 的联系， 见图 4 。核心筒剪力墙混凝土强度等级均 为 C60 ， 底部加强区采用钢板混凝土组合剪力墙， 含钢率为 4． 5% ， 主要的外圈剪力墙厚度见表 1 ， 巨 型柱截面尺寸、 混凝土强度等级和含钢率见表 2 ， ［1 ］ 外圈巨型支撑和伸臂桁架的截面见表 3 和表 4 。
筒 + 外围巨型框架 + 外围巨型支撑 + 钢伸臂桁架的结构抗侧体系 。运用 ABAQUS + BEPTA 程序， 将梁、 柱和剪力 墙的弹塑性在材料的应力 应变层次上精确模拟， 同时考虑结构的几何非线性， 采用显式积分的方法， 对该结构进 以检验结构在大震作用下的抗震性能 。结果表明， 计算工程的结构形式 行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析， 具有较高的抗震承载力和延性， 基于塑性区模型的弹塑性时程分析是保证结构大震不倒的比较有效和可靠的 方法。 ［ 关键词］ 平安国际金融中心； 超高层建筑； 弹塑性时程分析； ABAQUS； BEPTA 中图分类号： TU973 文献标识码： A 848X（ 2011 ） S1004706 文章编号： 1002-
第 41 卷 增刊
黄忠海， 等． 深圳平安国际金融中心的罕遇地震弹塑性时程分析
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算梁在大转动， 大应变和大位移下的应力应变。
（ 3 ） 整体模型： 材料的本构特性加构件的截面 几何参数得到构件模型， 构件模型通过节点的几何 连接形成了整体模型。在弹塑性时程分析中， 各层 楼板均采用划分为 1m × 1m 的弹塑性壳单元来模 如图 8 所示； 跨高比小于 5 的剪力墙连梁采用 拟， 弹塑性壳单元模拟， 连梁的底筋和面筋采用杆单元 集中布置在连梁的顶面和底面。 弹塑性分析整体 模型不包含地下室。 3 弹塑性分析的阻尼体系