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摘要：复杂的超高超限高层建筑结构需要进行弹塑性分析及计算来验证其是否满足抗震设防要求。本文以长乐某超高层办公楼结构为背景，对其进行弹塑性时程分析，研究该结构在地震作用下的抗震性能。采用ABAQUS建立三维弹塑性分析模型和进行了动力时程分析。对结构的整体反应和构件损伤情况进行了分析和评估，用详细的量化指标验证了该结构能够在罕遇地震水平下实现“大震不倒”。
关键词：超限高层；动力弹塑性分析；罕遇地震；抗震性能
0 前言
本工程总建筑面积8.6万平米，主楼为37层，地下室2层。结构体系为框架-核心筒结构，结构总高149米，为B级高度，主楼平面尺寸为27.4米X48.2米，整体的高宽比5.49，长宽比为1.76。建筑方案要求底部3层局部通高，造成2及3层有大面积的楼板缺失，同时存在位移比超限等问题，别外结构底部3层80%柱为双向无梁拉结的13.8m高跨层柱。由于本工程比较复杂，为了检验结构在罕遇地震作用下是否满足“大震不倒”的抗震设计要求，有必要对其进行动力弹塑性分析，验算弹塑性层间变形，判断主要抗侧力结构的屈服顺序和损伤程度，根据构件破坏顺序研究结构的屈服机制，对结构的整体抗震性能做出综合评估。
本工程罕遇地震作用下弹塑性时程分析软件采用大型有限元ABAQUS 6.10。该软件是一套功能强大的
基于有限元方法的工程模拟软件。它可以解决从相对简单的线型分析到极富挑战的非线性模拟等各种问题。具备十分丰富的单元库，可以模拟任意实际形状，可以模拟多数典型工程材料的性能，包括金属、聚合物、复合材料、钢筋混凝土等。同时，可嵌入用户开发的单元模型、材料模型等已满足用户需求。
1 模型建立与参数确定
1.1 整体模型
根据初步设计方案建立三维整体结构模型，对主要抗侧力构件（剪力墙和连梁、框架梁柱）按照实际情况进行模拟。假定结构在地下室顶板嵌固，采用瑞利阻尼，阻尼比取5%。
1.2 构件模型
本工程中钢筋混凝土梁、柱，以及型钢混凝土柱均采用纤维模型；剪力墙、连梁采用ABAQUS提供的空间壳元来模拟，在壳元中可以通过Rebar Layer模拟钢筋的作用。
1.3 材料本构关系
本工程混凝土模型采用弹塑性损伤模型模拟混凝土非线性行为，该模型是由Lee，J.和Lubliner，J.等提出，其描述混凝土的破坏形式为拉裂和压碎，混凝土单轴拉压曲线如图3.1.1所示，混凝土材料的轴心抗压和轴心抗拉本构数学模型采用《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）附录3所提供。其中，混凝土弹塑性损伤模型的空间受力非线性损伤累积行为采用模型等效塑性应变进行描述。
钢筋模型采用双线性动力硬化模型。所有构件按规范要求及设计经验进行配筋。
1.4 输入地震波
按照抗震规范要求，罕遇地震弹塑性时程分析所选用的单条地震波需要满足以下特性：特征周期与场地特征周期接近；最大峰值分别取值（7度为220gal）；持续时间为结构的第一周期的5～10倍；时程波对应的加速度反应谱在结构各周期点上与规范反应谱比较不超过20％。
本工程选取地震波采用了安评提供的天然波TCL02（天然波2）及人工波RCL02（人工波），以及选自PEER的NGA no 307 H-PRK天然波（天然波1），其加速度时程如图1～3所示。与规范反应谱对比如图4所示。地震波的加速度峰值根据规范要求和安评结果，取保守值220gal。人工波的加速度峰值主要集中在前20秒，在持时30秒时，其峰值已经出现了明显的衰减，因此人工的地震输入加速度持时取30秒。天然波的加速度峰值主要集中在前15秒，在持时20秒时，其峰值已经出现了明显的衰减，因此人工的地震输入加速度持时取20秒。
2 模态分析结果
在进行弹塑性时程分析前首先对基于ABAQUS的模型进行了模态分析，其分析结果和SATWE及MIDAS结果对比见表1所示，振型见图5所示。
从以上结果可以看出模态分析结果和SATWE结果及MIDAS结果吻合较好，初步对比分析验证了ABAQUS模型的正确性。
3 弹塑性时程分析结果
大震下（罕遇地震）进行静力弹塑性分析，主要是为了判断“大震不倒”的设防要求能否满足，发现结构应力和塑性应变集中的部位，判断结构的屈服机制和破坏类型，找到薄弱层并验算弹塑性变形。因此大震下弹塑性时程分析应该给出两个层次的主要结果：（1）整体反应指标，包括基底剪力和倾覆力矩，顶点位移和层间位移角的时程和最大值；（2）构件损伤的情况，包括构件是否屈服、其性质是弯曲破坏还是剪切破坏、构件损伤的程度、屈服的顺序和分布情况等。前者可以帮助我们判断结果是否可信，判断薄弱层和结构进入弹塑性状态的程度；后者则可以提供具体的改进设计的依据。
三条地震波中，人工波的地震反应最大，以下分析仅针对人工波展开讨论。
3.1 整体反应结果
结构在完成30秒动力弹塑性时程分析之后，X向输入时最大顶点位移为476mm，约为小震下的6倍，Y向输入时最大顶点位移为443mm，约为小震下的5.8倍。结构最终保持基本直立，满足“大震不倒”的设防要求。X向最大层间位移角为1/165，Y向最大层间位移角为1/235，均小于规范限制1/120；最大基底剪力为87.85MN，为小震下的4.8倍。
3.2 构件损伤情况
3.2.1 X向构件损伤情况
结构在X向地震作用下，当作用持时约10秒左右时，X向框架梁开始出现了一定程度的损伤，此时结构受损构件主要发生在四层附近几层X向框架梁上，破坏形式为端部弯曲破坏。在地震作用结束时，外框架梁的受拉损伤程度进一步扩展到结构顶部，发生受拉损伤的框架梁主要集中在与核心筒相连的梁端，其中结构四层附近框架梁破坏比上部框架梁严重。结构框架柱在整个作用过程混凝土材料基本处于弹性状态。
总体而言，人工波作用时外框架梁损伤范围比较大。结构框架梁在整个地震作用中主要以受拉损伤破坏为主，损伤范围较广，起到了很好的耗能作用。在地震波作用下竖向关键构件能保持良好的工作状态，结构在大震作用后仍能承受竖向荷载。
在人工波作用下，当地震波持时16秒时，四层附近X向核心筒外墙已经开始发生局部受压损伤，但此时核心筒内部X方向连梁仍未发生损伤；在作用持时17秒时，核心筒内部X方向连梁才开始发生局部损伤。在作用持时30秒时，四层附近核心筒X向外墙破坏比较严重。核心筒内部X向连梁集中在四层附近发生破坏，但是核心筒内部剪力墙未发生大范围受压破坏。在地震作用下主体竖向构件能保持良好的工作状态，结构在大震作用后仍能承受竖向荷载。
3.2.2 Y向构件损伤情况
结构在人工波地震作用下，当作用持时10.5秒时，部分Y向外框架梁（包括与核心筒相连的框梁）开始出现了一定程度的受拉损伤，破坏形式为端部弯曲破坏。在作用持时30秒时，外框架梁的受拉损伤程度进一步扩展，四附近框架梁大部分发生受拉损伤，结构中上部受拉损伤主要发生在核心筒的两边外侧的框架梁上。人工波作用下结构外框架梁受拉损伤范围比较大，结构四层附近框架梁破坏比上部框架梁相对严重。总体而言，结构外框架梁在整个地震作用中主要以受拉损伤破坏为主，起到了很好的耗能作用。
结构框架柱在整个地震作用过程中只有单根柱子发生局部受压破坏，基本上处于无损状态，可以保证地震过程中竖向荷载的有效传递。
在人工波地震作用下，当作用持时7.5秒时，四层附近核心筒内部X向连梁开始发生受压破坏。当作用持时20秒时，由于X向连梁耗能已经到达极限，此时核心筒受压损伤开始扩展到四层附近墙肢。核心筒Y向剪力墙在整个地震作用过程中并没有发生受压破坏，X向连梁大部分发生受压破坏，并在四层附近随着连梁损伤的扩展，两端墙肢亦发生局部受压破坏。结构核心筒在整个地震波作用过程中，剪力墙只发生了局部受压破坏，能够有效地传递竖向荷载。
总体来说，在人工波地震作用下竖向关键构件能保持良好的工作状态，结构在大震作用后仍能承受竖向荷载，能够达到“大震不倒”的抗震设防目标。
4 结束语
地震作用过程中，结构首先在外框架梁上出现了塑性损伤，随着地震作用持续损伤逐渐扩展，是大震作用过程中的主要耗能构件；
框架柱基本未出现受压损伤，柱子型钢处于弹性状态，地震作用后框架柱可承受竖向荷载；
核心筒四层附近的剪力墙先出现受压损伤，之后损伤扩展附近部分连梁。虽然整体上墙肢大部分处于完好状态，且结构仍有较大的抗震能力，但核心筒屈服顺序不合理，且损伤较为集中；
从分析结果可以认为，结构最大层间变形满足规范限值，在地震作用后，结构整体可承受竖向荷载，该结构能够做到“大震不倒”的抗震设防目标。
随着弹塑性分析理论的完善和运算能力的加强，对超高超限结构进行弹塑性分析是可行的，这对于认识大震下结构的破坏机理，验证大震下生命安全和其他性能水准，为工程设计提供参考依据都是非常有必要的。
参考文献：
[1]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[2]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].
[3]建筑结构弹塑性静力和动力分析软件GSNAP说明书[M].
[4]建筑抗震弹塑性分析-原理、模型与在ABAQUS，MSC.MARC和SAP2000上的实践[M].
论文作者:刘云涛
论文发表刊物:《基层建设》2016年1期
论文发表时间:2016/5/18
标签：塑性论文; 结构论文; 损伤论文; 作用论文; 框架论文; 构件论文; 模型论文; 《基层建设》2016年1期论文;