上海某超限高层悬挂结构罕遇地震下的动力弹塑性分析及抗震性能评估

分析及抗震性能评估Dynamic Elastoplastic Analysis and Seismic Performance Evaluation of Super High-Rise

Suspension Building Under Rare Earthquake in Shanghai徐迪(上海建筑设计研究院有限公司，上海200041)XUDi

(Institute of Shanghai Architectural Design and Research Co. Ltd., Shanghai 200041, China)【摘要】本工程结构高度58.5m,采用钢筋混凝土核心筒-带斜撐和环带桁架支承钢框架结构体系。根据实际情况,模拟建立了所

有对结构刚度有贡献冷结构构件组成的三维模型。动力弹塑性分析结果表明，在抗変设防裂度7度罕遇地震作用下，结构最大层间

住移角小于规范限值。核心筒角部钢管混凝土柱最先出现塑性转角，但并未开展，始终处于B~IO阶段,钢框架、悬臂桁架和环带桁 架均未出现塑性较。核心筒连梁较早出现受压损伤，起到了耗能作用。本结构在罕遇地変作用下的受力性能良好。[Abstract ] The reinforced concrete core with brace and circumferential truss supporting steel frame system is adopted for this project with a

structural height of 58.5m. According to the actual situation, a three-dimensional model of all structural components contributing to structural

stiffness was set up. The results of dynamic elastoplastic analysis show that under 7 degree rare earthquake, the maximum drift meets code requirements. Plastic hinge appears first in the concrete filled steel tubular column ofcore comer, but it was not developing, and it remains in the B~IO stage. And the plastic hinge was not appeared in the steel frame, cantilever truss and circumferential truss. Link beam of concrete core has

early compression damage and plays an energy dissipation role. This structure has good mechanical performance under the rare earthquake.【关键词】动力弹塑性;塑性较;损伤；抗震性能评估[KeywordS ] dynamic elastoplastic; plastic hinge; damage; seismic performance evaluation【中图分类号]TU313；TU351

【文献标志码】A 【文章编号】1007-9467 (2019) 07-0030-04[DOI] 10.13616/j .cnki.gcjsysj.2019.07.0091工程概况筒,4层以上是钢梁和钢柱组成的外围框架体系。由于3层外

围竖向构件缺失，导致4层以上核心筒以外楼层均为悬挑结

项目位于上海市长宁区,抗震设防烈度7度，抗震设防类

构，最大悬制谜23m。在塔楼4~5层核心筒4个角部分别设置

别为标准设防类，设计地震加速度为0.10g,设计地震分组为

2道斜撑，共8道钢斜撑，同时，在4~5周边设置环带桁架。在

第二组，场地类别为IV类，特征周期0.90s。办公塔楼建筑造型

4层楼面设置水平钢支撑以增加楼面刚度，同时，确保悬臂桁

新颖,为避免因建筑造型而破坏结构体系的完整性和合理性,

架下弦整体稳定。创新地采用钢筋混凝土核心筒-带斜撑和环带桁架支承钢框

由于塔楼结构体系的特殊性和结构构件受力复杂，除进

架结构体系。塔楼地上13层，主要屋面高度5&5m,总高度

行多遇地震和设防烈度地震作用分析外，还需要进行罕遇地

64.10m。塔楼底部2层框架由钢筋混凝土圆柱和钢筋混凝土

震作用下的结构动力弹塑性时程分析,通过该分析评价结构

在罕遇地震作用下的弹塑性行为,根据主要构件的塑性损伤

梁组成。塔楼结构3层核心筒外围框架柱缺失，仅存在核心

和整体变形情况,确认结构是否满足设防水准要求;根据结构

【作者简介】徐迪(1986~),男，浙江余姚人，工程师,从事高层建筑

在大震作用下的基底剪力、剪重比、层间位移角以及顶点位移结构耐与研究。30建筑与结构设计Architectural and Structural Design

等综合指标,评价结构在大震作用下的力学性能;同时，研究 户设置将整个结构分为几个施工阶段。结构核心筒、梁柱、楼板等结构构件在大震下的损伤及塑性应

第三步:“恒+0.5活”加载计算。根据《抗规》第5.1.3规定,

变情况；研究结构关键部位、关键构件的变形形态和破坏情 在时程计算过程中，竖向静载大小保持为“恒+0.5活”。况;考察各部分结构在地震中的耗能情况,根据以上分析结果，

第四步：地震波时程计算。釆用1组人工波和2组天然

针对结构薄弱部位和薄弱构件提出相应的加强措施，对结构

波，其中，每次计算均输入x、y、z或y、x、z两个水平方向地

的抗震性能给出评价，并对结构设计提出改进意见和建议叫震波和一个竖向地震波。根据不同地震波计算持续时间为35- 按照GB 50011-2010《建筑抗震设计规范＞（2016年版）

40s,满足大于结构第一自振周期5~10倍的要求。地震波输入

（以下简称《抗规》叭和JGJ 3-2010（高层建筑混凝土结构技 模型中，水平主、次方向地震波和垂直方向地震波加速度峰值

术规程》（以下简称《高规》旳）的相关要求,罕遇地震作用下塔

比为 1.0：0.85：0.65。楼抗震性能目标为:底部6层核心筒允许进入塑性，控制截面

2. 5整体分析模型校核剪压比;底部6层核心筒角部钢管混凝土柱允许进入塑性，控

对结构进行初始线弹性动力特性分析,并釆用SATWE模

制剪压比,不丧失竖向承载力;框架柱、悬臂桁架不屈服;环带 型对比常规计算的周期、振型等多个计算参数来保证两者模

桁架弦杆不屈服,腹杆不屈曲;悬臂桁架斜撑上、下端节点不

型的一致性。不同软件计算得到的结构前5阶周期见表1。先于构件破坏;最大层间位移角不大于l/120o表1不同软件之间结构自振周期比较2非线性分析模型及分析步骤阶数SATWESSG11.1071.0442. 1材料模型21.0610.91130.9270.878一维混凝土材料模型按GB 50010—2010《混凝土结构设 40.3920.422计规范》（2015年版冋以下简称《混凝土规范》）附录C采用；

50.3720.387二维混凝土本构模型采用弹塑性损伤模型，能够考虑混凝土

由表1可以看出,SSG与SATWE计算得到的结构前3阶

材料拉压强度差异、刚度及强度退化以及拉压循环裂缝闭合

自振周期基本相同（SSG模态分析时，考虑了钢筋对于结构刚

呈现的冈」度恢复等性质;钢材采用双线性随动硬化模型,无刚

度的影响，以及连梁釆用壳梁模拟不考虑刚度折减，因而周期 度退化,并考虑了包辛格效应。较小于SATWE ）o SSG计算结构总质量（39 000t）与SATWE计

2. 2构件模型算结构总质量（38 100t）基本一致,说明了计算模型的正确性。 杆件非线性模型采用纤维束模型，主要用来模拟梁、柱、

SSG三维结构分析模型见图lo斜撑和桁架;剪力墙、楼板采用弹塑性分层壳单元，可考虑多 层分布钢筋的作用。2. 3阻尼模型在弹塑性分析中,由于采用直接积分法方程求解,且结构

刚度和振型均处于高度变化中,故并不能直接代入振型阻尼， SSG中采用拟模态阻尼模型。2. 4分析步骤根据工程在施工建造及使用过程中的实际情况，整个分

析过程分为4个部分。第一步:计算结构初始线弹性特征，并与原弹性模型计算

得到的结果进行对比。图1 SSG三维结构分析模型第二步:施工模拟计算。分析中通过逐步添加有限元单元

2. 6输入地震波来实现施工阶段的结构受力模拟。根据结构体系的特点和用采用上海市DGJ 08-9—2013《建筑抗震设计规程》附录131工程建设与设计Co/utruction& Design ForProject提供的SHW8、SHW1O、SHW11,共3组波，峰值加速度取为 200cm/s2。时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应

程度判定标准与《高规》第3条相同，但对于整个剪力墙构件

而言，由于墙肢面内一般不满足平截面假定，在边缘混凝土单

元出现受压损伤后,构件承载力不会立即下降,其损坏判断标

谱法所采用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要

振型的周期点上相差不大于20%。各条地震波转化后的反应 谱如图2所示，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线与振

准应有所放宽。考虑到剪力墙的初始轴压比通常为0.5~0.6,当

50%的横截面受压损伤达到0.5时，构件整体抗压和抗剪承载

型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上 力剩余约75%,仍可承担重力荷载，因此，以剪力墙受压损伤

相符。横截面面积作为其严重损坏的主要判断标准。5 ）连梁和楼板的损坏程度判别标准与剪力墙类

似，楼板以承担竖向荷载为主，且具有双向传力性 质，小于半跨宽度范围内的楼板受压损伤达到0.5 时，尚不至于出现严重损坏而导致垮塌。4动力弹塑性分析结果4.1结构整体塑性发展历程3组地震波非线性时程分析结果显示，结构的

表现历程各有不同，但存在一些共同点，比如，钢框

图2地震波谱曲线与规范谱曲线对比架梁塑性转动较小，核心筒角部钢管柱最先出现塑3构件性能评估指标性转角、连梁屈服等。结构整体表现为:前5s,在地震发生的最初一段时间内表现为弹性，随后结构开始进入塑性;20s时，中 高区核心筒南侧连梁出现塑性转角，部分到达LS生命安全状

《高规》3.11中将结构的抗震性能分为5个水准，对应的

构件损坏程度则分为“无损坏、轻微损坏、轻度损坏冲度损

坏、比较严重损坏”5个级别。在SSG中构件的损坏主要以混

凝土的受压损伤因子、受拉损伤因子及钢材（钢筋）的塑性应

态;30s时，塑性较数量增多，塑性转动进一步增大;40s时，全

楼核心筒连梁屈服数量继续增加，大部分处于10状态（立即 居住）和LS状态,其余构件状态变化不大;环带桁架、悬臂桁

变程度作为评定标准，与《高规》中构件的损坏程度相互对应。1） 钢材在屈服后其强度并不会下降，衡量其损坏程度的

架、钢框架柱均未出现塑性较。主要指标是塑性应变值。借鉴相关标准中塑性变形程度与构 件状态的关系，设钢材塑性应变分别为屈服应变1倍、3倍、 6倍，分别对应轻度损坏、中度损伤和重度损坏3种程度。2） 混凝土在达至0极限强度后会出现刚度退化和承载力下

4. 2整体计算指标评价每组波都能顺利完成整个时间历程的动力弹塑性计算,

数值收敛性良好。结构在x、y 2个主方向基底剪力包络值分

别为87 021kN和89 165kN,约为小震弹性基底剪力的3-5

降问题。偏保守考虑，混凝土本构中未考虑箍筋约束的强度提 倍;结构2个方向的层间位移角最大值分别为1/167 J/219,均

高作用,仅考虑《混凝土规范》中建议的素混凝土参数,混凝土 满足框架-核心筒结构W 1/120的限值要求。结构在X、y 2个 主方向顶部最大位移包络值分别为0.200m、0」62m,分别为结

构高度的1/320和1/396;大震下主塔楼结构整体响应指标满

受压损伤＜0.2设为中度损坏，大于0.2则认为重度损坏。3） 对采用梁单元模拟的梁、柱、斜撑等构件，钢材（钢筋）

的塑性应变会造成构件刚度退化，但不会立即出现承载力下

降问题，因此，可视钢材塑性应变程度区分为轻微损坏~比较

足设计要求。4. 3结构顶点位移时程提取结构顶部在SHW8地震波下的位移时程数据如图3

严重损坏。而构件中的混凝土一旦出现受压损伤，则会造成构

件承载力下降，属于中度损坏~比较严重损坏。4） 剪力墙构件由“多个细分混凝土壳元+分层分布钢筋+

所示，前5s,弹塑性顶点位移时程曲线与弹性位移时程曲线基

本保持一致,提示结构处于弹性阶段;5s以后,弹塑性位移时

两端约束边缘构件杆元”共同构成,对单个单元来说,其损伤

32程曲线显示结构周期逐步变长，顶点位移逐渐变大，峰值位于建筑与结构设计A rchilectural and Structural Design

20〜30s时间区段，说明部分构件累积损伤，导致结构整体刚度 部楼板基本未发生明显的受压损伤，仅在悬臂桁架下弦所在

退化。a o15 .1 a O5O

楼面有较明显的受压损伤；仅有核心筒内部极少量楼板钢筋

.........SHW8 一Y-弾型性--------SHW8”弹忤•发生轻微的受拉塑性变形。总体上，楼板大部分无损伤（约占 85%）, 12%属于轻微损你2%属于轻度损伤，全楼仅1块楼板

局部单元重度损伤。7）阻尼耗能占能量消耗的主要部分,塑性损伤耗能比例

aO5Jv15

为40%;几乎所有的塑性损伤耗能分布在核心筒剪力墙,外部 框架损伤较低。时间/sa X方向结构顶点位移时程曲线-o.5结构抗震性能评价及结论Q2本工程因建筑功能需要,使结构上存在先天薄弱环节。通 过详细的计算分析，可以得出结构的不规则性。结构采用了混

凝土核心筒-带斜撑和环带桁架支承钢框架结构体系,根据工

程特点釆取了一系列抗震计算及抗震构造措施。设定不同地

震水准作用下的结构性能化目标，通过分析予以实现,针对抗

5-O.1 -O.2

震薄弱部位釆取细部分析及加强措施，减少了因体型不规则 带来的不利影响，达到了提高结构抗震性能的效果。结构在罕

b y方向结构顶点位移时程曲线遇地震作用下的受力性能良好，计算结果满足现行规范和规

图3结构顶点位移时程曲线程的要求。根据以上结论，认为塔楼具有良好的抗震性能，能满足根

4. 4构件性能评价1） 核心筒墙肢与连梁连接部位局部发生明显的受压损

据“三水准”（小震不坏冲震可修，大震不倒）的抗震设防性能

伤，较窄范围主体墙肢发生明显的受压破坏，最大损伤系数超

过0.3,但面积未扩展至1/2墙体长度，主墙肢钢筋塑性应变最 大值小于3倍屈服应变，墙体处于中度及以下损伤程度。总体 上,核心筒与连梁较早发生明显的受压破坏现象,起到了较早

分析原则确定抗震设防各阶段的性能目标。di?【参考文献】【1】上海现代建筑设计（集团）有限公司技术中心.动力弹塑性时程分

析技术在建筑结构抗震设计中的应用[M].上海:上海科学技术出

版社,2013.[2]GB 50011—2010建筑抗震设计规范（2016年版）[S]. [31JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].耗能作用。大震作用下剪力墙总体受力性能良好。2） 核心筒角部钢管混凝土柱与悬臂桁架下弦连接处局

部发生受压损伤，同悬臂桁架上弦连接处上下层高范围内发

生明显受拉损伤，塑性应变最大值为0.001 91，属于轻微损伤。3） 底部钢筋混凝土柱顶部发生受压损伤，同时柱底,柱顶

[4]GB 50010—2010混凝土结构设计规范（2015年版）[S].[51DGJ 08-9—2013建筑抗震设计规程[S].及与梁板连接部位发生受拉损伤，钢筋最大塑性应变0.003 11, 属于轻度损伤。钢框架柱均处于弹性工作状态。4） 悬臂桁架和环带桁架斜腹杆均未发生塑性变形,处于

弹性工作状态。5） 仅核心筒内钢筋混凝土梁在各层均出现了受压损伤及

钢筋塑性应变，最大塑性应变值为0.003 17,处于1~2倍屈服

应变，属于轻度损坏。6）极少量核心筒开洞角部楼板发生受压破坏，核心筒外【收稿日期12019-02-2033