深业上城高塔结构动力弹塑性分析

深业上城高塔结构动力弹塑性分析吴国勤;傅学怡;曾志和;何立才;李建伟【摘要】深业上城高塔为一大型酒店和办公的超高层建筑,地上80层,结构高度388m.塔楼采用了巨型框架+核心筒结构体系,其中巨型外框架由巨柱、带状桁架组成、双层环梁及型钢混凝土连接梁组成.采用型钢混凝土连接梁联系外框架和核心筒而不设伸臂是本塔楼结构的一个创新点.通过7组罕遇地震波作用下的动力弹塑性分析,表明结构抗侧刚度沿竖向均匀,楼层剪力传递简单合理;最大弹塑性位移角大于1/100规范限值要求;连梁和型钢混凝土连接的梁大部分出现了混凝土的受压塑性损伤,很好地起到了耗能作用;剪力墙混凝土的受压损伤因子较小,巨柱及带状桁架保持弹性,结构可满足“大震不倒”的性能目标.【期刊名称】《广东土木与建筑》【年(卷),期】2014(021)001【总页数】6页(P3-8)【关键词】巨型框架;型钢混凝土连接梁;动力弹塑性分析;地震波;受压损伤因子【作者】吴国勤;傅学怡;曾志和;何立才;李建伟【作者单位】悉地国际设计顾问(深圳)有限公司深圳518048;悉地国际设计顾问(深圳)有限公司深圳518048;悉地国际设计顾问(深圳)有限公司深圳518048;悉地国际设计顾问(深圳)有限公司深圳518048;悉地国际设计顾问(深圳)有限公司深圳518048【正文语种】中文1 工程概况深业上城项目位于深圳市福田区，总建筑面积达93.7万m2，属于办公（产业研发用房）、酒店、商业综合体，包括2栋高层塔楼，高度分别为388.05m和299.25m，3栋高层产业研发用房、1栋高层酒店宴会厅以及商业裙房和位于L3层裙房屋顶的多层产业研发用房。

高塔位于用地的东南侧，是一座388m高的混合用途的建筑，62层甲级写字楼，63～80层设有五星级酒店，建筑面积22.7万m2。

高塔采用核心筒+型钢混凝土梁+外框架结构体系。

核心筒为正方形，外墙底部外墙厚1.8m，内墙厚0.6m，混凝土等级为C60。

核心筒墙体厚度随高度增加逐渐减小，在顶部外墙减为0.5m，内墙减为0.45m。

由于结构框剪比设计要求，筒体洞口宽度由底层至顶层逐渐放大，其中核心筒的角部在酒店层以上被切去，改为4根L形柱。

在核心筒角部以及相交处将内埋型钢柱以增加核心筒的延性及刚度。

外框架由4道周边桁架和8个巨柱组成。

巨柱采用型钢混凝土柱，截面由底部的5400×2300变化至顶部的3500×1600，混凝土等级从C70变化至C60。

其内置钢柱由钢板拼接而成的单肢巨型组合钢柱，巨柱型钢含钢率约3.5%～6.3%，钢材采用Q345高建钢［1］。

每层设8根型钢混凝土梁，协同核心筒和外框架共同工作，除底部几层和顶层和带状桁架层以外，一般标准层梁高均为800mm，50层及以下楼层梁宽度一般同墙厚，50层以上均为800mm［1］。

抗侧力体系中，剪力主要由核心筒承受，外框架能够起到二道防线的作用。

倾覆弯矩主要由外框架承受，型钢混凝土梁有效地协调了内筒与巨型框架的变形，使巨型框架承担了更多的倾覆力矩，巨柱以轴力为主。

该抗侧力结构体系合理，适合本结构高度，结构规则性较好，是高于350m的结构而不设伸臂的一种创新结构形式。

塔楼的效果图、剖面图、带状桁架分面图及高低区结构典型平面图如图1所示。

图1 深业上城高塔效果图、剖面图、带状桁架图及结构平面图2 结构模型在本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结构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3个层次：①材料模型；②构件模型；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［2］。

2.1 材料模型①钢材的动力硬化模型用双线性随动硬化模型，在环过程中无刚度退化，但考了包辛格效应。

钢材的强屈设定为1.2，极限应力所对应极限应变为0.025。

②混凝土料模型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刚度恢复，其轴心抗压和轴心抗拉强度标准值按《钢筋混凝土设计规范》采用。

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因子dt 和受压损伤因子dc来表达，dt和dc由混凝土材料进入塑性状态的程度决定。

受压损伤因子dc可化简为“当前弹性模量初始弹性模量”，在宏观意义上代表了混凝土受压弹性模量的退化比例。

如dc为0.3，则表示当前混凝土受压弹性模量退化30%，残余0.7E0，受拉损伤因子dt也有类似物理意义。

同时当混凝土达到时峰值时，受压损伤因子介于0.2～0.3之间，当压损伤因子小于0.3时，可以认为混凝土尚未初压碎。

因此，dc和dt可以很直观地反映混凝土的损伤情况即弹性模量退化率和大致的应力水平，是后文描述混凝土损伤情况的主要指标。

2.2 一维杆件弹塑性模型一维杆件弹塑性模型采用纤维束模型和桁架单元模拟。

其中纤维束模型主要用来模拟楼面钢筋混凝土梁、次结构钢筋混凝土框架柱构件。

连梁底部钢筋和顶部钢筋按相应的配筋率则用桁架单元模拟，同样型钢混凝土连接梁中的型钢翼缘按相应面积的桁架单元模拟。

桁架单元与壳单元的节点耦合。

2.3 二维剪力墙、楼板弹塑性模型、型钢混凝土连接梁和巨型柱弹塑性模型二维剪力墙、楼板、型钢混凝土连接梁和外框巨型柱采用ABAQUS内置的弹塑性壳单元，该单元具有如下特点：可采用二维弹塑性损伤模型本构关系；可叠加钢筋层考虑多层分布钢筋的作用；可模拟大变形、大应变，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仍采用通常的集中杆单元模拟会有较大误差，无法体现边缘构件对剪力墙的二维约束特性。

在ABAQUS 模型中，根据规范的规定确定约束边缘构件长度，直接将其边缘构件划分为二维有限元单元，并相应修改其纵向和水平钢筋，以和普通墙身配筋相区别。

这需要较为精细的墙体网格剖分，如图2所示。

图2 剪力墙网格的剖分2.4 整体分析模型⑴ 楼板模拟建筑结构有限元分析中为减少计算工作量，通常对楼板采用刚性楼板假定，其实质是通过节点耦合的方法，约束同层内各节点的X、Y相对距离不变。

这一假定在小变形和弹性阶段是可以接受的。

但在考虑大变形的弹塑性阶段，尤其是对超高层建筑，其顶点位移多在1m以上，结构上部楼板已出现了明显的倾角，此时同层内各节点若仍保持分析开始阶段的相对水平距离，将使节点偏离其应在位置，导致分析误差。

此外，在弹塑性过程中，楼板将发生开裂使其平面刚度下降，对结构的各抗侧力构件刚度分配和剪力传递也将产生一定影响。

因此，本工程的弹塑性分析中将不采用刚性楼板假定，而采用弹塑性楼板模拟，考虑其开裂和压碎对结构刚度的影响。

⑵ 构件配筋对混凝土构件进行动力弹塑性时程分析，需要较为准确地考虑构件配筋对其承载力和刚度的贡献，按实际施工图的配筋进行构件配筋的规格化。

连梁上下纵筋的配筋率按1.2%考虑，钢筋强度等级为HRB400；巨柱竖向钢筋配筋率为1.2%、剪力墙边缘构件竖向钢筋配筋率为2%，水平钢筋配筋率为1.2%；其余墙体竖向及水平钢筋配筋率均为0.8%，钢筋强度等级为HRB400；混凝土楼板的配筋为简化起见，按照楼板厚度确定，厚度分别为120，150，200，250mm的楼板的配筋分别取为0.44%，0.5%，0.5%，0.54%双层双向通长布置。

3 分析步骤第1步：施工模拟加载。

按照工程的建造过程，分为28个施工阶段，每个施工阶段生成2～3层结构楼层，采用“生死单元”技术进行模拟。

施工过程分析是一个非线性求解过程，从加载之初就已考虑结构的材料非线性和几何非线性效应，并贯穿分析的全过程。

第2步：地震加载。

弹塑性分析时所采用的2组人工波和5组天然波，地震波采用三向输入。

3.1 结构阻尼选择［2］结构动力时程分析过程中，阻尼取值对结构动力反应的幅值有比较大的影响。

在弹性分析中，通常采用振型阻尼ε来表示。

而在弹塑性分析中，由于采用直接积分法求解，并不能直接代入振型阻尼，通常的做法是采用瑞雷阻尼，瑞雷阻尼含质量阻尼和刚度阻尼两部分，其与振型阻尼的换算关系如下式：式中：C为结构阻尼矩阵，M和K分别为结构质量矩阵和刚度矩阵；ωi为结构自振频率。

通常依据（ε1，ω1）和（ε2，ω2）求得α 与β。

可以看出瑞雷阻尼实际上只能保证第1、2周期阻尼比等于振型阻尼，其后各周期的阻尼比均高于振型阻尼，且周期越小，阻尼越大，因此将导致结构动力响应偏小。

图3为本工程结构阻尼比与周期的关系。

图3 振型阻尼与恒定瑞雷阻尼对应结构各周期阻尼比比较图4 振型阻尼与瑞雷阻尼（仅质量阻尼）对应结构各周期阻尼比比较如瑞雷阻尼仅含质量阻尼（β=0），即为下式：依据（ε1，ω1）可以求得α，这仅能保证第1周期阻尼比等于振型阻尼，其后各周期的阻尼比均低于振型阻尼，因此将导致结构动力响应偏大。

图4为本工程结构阻尼比（仅含质量阻尼）与周期的关系。

表1列出了瑞雷阻尼几种取法的比较。

显式分析中，瑞雷阻尼的刚度阻尼β影响计算的时间步长，使计算步长偏小很多，由此带来计算成本过高，不能满足工程的实际要求。

基于此，本项目采用表1方法2的阻尼取值，结构响应会偏大。

若在此种条件下结构仍能满足规范“大震不倒”的要求，那么表明结构是安全的，且有一定安全储备。

表1 瑞雷阻尼几种取法的比较方法阻尼取值特点与振型阻尼比较1 α和β均按前两周期计算结果取值结构响应偏小2 α按第1周期计算结果取值，β=0高阶振型阻尼比增大结构响应偏大3 大幅增大α阻尼，β=0高阶振型阻尼比减小低阶振型阻尼比偏大结构响应未知3.2 地震波的选取及输入本项目拟建场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，地震分组为第一组，地土类型为中软土～岩石，建建筑场地类别为Ⅱ类，场地无液化地层，属可进行建设的一般。

罕遇地震时程分析所用的地震波由中国建研院工程抗震研究所所提供，水平加速度最大时程采用220gal，反应谱采用规范谱的结果，阻尼比取0.05，周期折减系数取 1.0［3］。

采用ETABS9.7.0软件进行选波分析，剪力墙、巨柱、混凝土连接梁和楼板用壳单元模拟，考虑内置型钢的作用，其余构件用杆单元模拟，楼板按弹性楼盖考虑。

时程分析工况考虑双向地震波作用。

选波结果见表2，所选用的7组地震波满足GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》的要求，每组地震波计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法结果的65%，不大于135%。

输入地震波时，依次选取结构X向或Y向作为主方向，另一方向为次方向，分别输入7组地震波的3个分量记录进行计算。

主方向、次方向及竖向输入地震峰值加速度按1∶0.85∶0.65进行调整。

表2 罕遇地震弹性时程分析与反应谱法基底剪力比值序号 34567 12主波L0256 L0284 L0355 L2616 L0670 L0740-6 L0740-8次波X向（%）L0257 113L0283 90 L0356 115 L2614 70 L0671 86 L0740-5 78 L0740-9 91 Y向（%）116 91 115 70 87 77 914 弹塑性分析结果4.1 模型正确性验证计算模型是进行大震时程反应的基础，因此在大震弹塑性时程分析之前，首先进行了ETABS模型的静力和模态分析，以及ABAQUS施工模拟和模态分析，用来校核模型从ETABS转换到ABAQUS的准确程度。