Elastoplastic Analysis of a Frame-Core Tube Structure in Shenzhen
郭劲松 GUO Jin-song；沈飞扬 SHEN Fei-yang；兰旭博 LAN Xu-bo
（河北工程大学土木工程学院，邯郸 056038）
（College of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China）
摘要：该工程位于深圳市，本研究运用SAUSAGE软件建立了深圳某超高层的电算模型，并对该工程在罕遇地震下进行弹塑性分析，结果显示各层层间位移满足规范要求，主要竖向构件损伤较轻，主要耗能构件连梁发挥了优良的性能，虽然局部破坏严重，但不会危及整体结构,结构整体性比较稳定,罕遇地震作用下可以达到规范要求的"大震不倒"的要求。
Abstract: The project is located in Shenzhen City. This study used SAUSAGE software to establish a super-high-rise computer model in Shenzhen, and carried out elastoplastic analysis of the project under rare earthquakes. The results show that the displacement between layers is meeting the requirements of the specification, the main vertical members are less damaged, and the main energy-consuming members have excellent performance. Although the local damage is serious, it will not endanger the overall structure, and the structural integrity is relatively stable. Under the rare earthquake, it can meet the requirements of "not fall under the big earthquake".
关键词：SAUSAGE软件；弹塑性分析；位移角；罕遇地震
Key words: SAUSAGE software；elastoplastic analysis；displacement angle；rare earthquake
中图分类号：TU973+.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）21-0135-03
0 引言
社会高速发展的今天，建筑物越建越高，越来越复杂，各种超高层综合体层出不穷，结构设计的安全性更是成为了重中之重，这就对设计师有了不小的挑战。随着各种数值模拟软件的进步，工程设计领域的应用也逐渐成熟。
本文利用目前得到设计院广泛认可的SAUSAGE软件对结构进行弹塑性时程分析，不仅可以获得各个楼层的层间位移信息，和主要抗侧力单元的损伤程度和损伤分布等多项结构地震响应结果，同时还能获得构件在不同时刻性能状况和破坏顺序，通过对各种指标分析可以对罕遇地震下结构的抗震性能进行评价，可以对工程设计也有一个引导和校核作用。
1 工程概况
本工程位于经济特区深圳市，建成渲染图参考图1。集团大楼高度为149.7m，其中标准层层高4.25m，总建筑面积47950.22m2。地上部分共有33层，地下3层用作停车位和设备间，临街商业裙房在前7层，以上26层主要是商务用途，8层和21层为该筒体结构的避难层。抗震设防烈度和类别为7度、丙类，场地类别为II类，特征周期Tg为0.35s，设计使用年限为50年。超限信息：高度超限、位移比超限、局部刚度突变、穿层柱、斜柱。
该工程结构体系设计成了框架-核心筒结构体系。图2给出了标准层平面布置图，筒体剪力墙从车库三层一直延伸到结构顶层。其中筒体剪力墙长度为26.8m，宽度为9.6m。核心筒混凝土强度等级和墙体厚度见表1。现浇梁板，板厚120mm。地下首层顶板为嵌固端,顶板厚度为180mm。塔楼1-14层采用十字劲混凝土组合柱和箱型劲混凝土组合柱，15-33层采用矩形混凝土柱，柱尺寸和柱混凝土强度等级见表2。
2 结构模型
2.1 结构整体分析模型
由于SAUSAGE软件建模不方便，本文采用YJK模型导入SAUSAGE（见图3），并进行整体动力弹塑性分析。材料模型利用纤维梁模型来模拟杆件比如梁和柱子，同时利用分层壳模型模拟各种楼板，耗能连梁以及墙肢。为了判断采用YJK导入的模型是否合理，首先对该结构进行模态分析，通过周期、质量等数据可以对模型进行大体判断。表3列出了YJK模型的周期、质量数值和导入SAUSAGE模型后的数值，两种软件的数值结果差别不大。由于SAUSAGE中包含钢筋的重量，YJK没有计算钢筋质量，所以总质量要比YJK模型总质量略微大点。
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2.2 纤维梁模型
SAUSAGE软件的纤维梁模型可以比较准确对杆系进行模拟，之所以比较准确，是因为精细到了截面纤维层次。框架部分采用铁木辛柯梁模拟，通过先求各纤维上的应力应变可以获取截面的内力，通过积分图4的各个单元积分点，可以准确求出整个单元的内力。SAUSAGE软件所支持的各种梁截面由1个或多个子截面和钢筋组合而成，单元内力计算时，分别对各个子截面和钢筋纤维所产生的内力进行积分，最后对各内力进行简单地叠加求和，即为梁单元内力[1]。
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2.3 分层壳模型
剪力墙、楼板、连梁采用弹塑性分层壳单元，适合模拟剪力墙和楼板、连梁在大震作用下进入非线性的状态。下面具体介绍分层壳模型计算原理：将壳单元分成图5这样的层，各层可以根据需要设置不同的厚度和材料性质（如混凝土、钢筋）。基于各层材料之间的平截面假定，由中心层应变和曲率得到各钢筋和混凝土层的应变，进而由各层的材料本构方程得到各层相应的应力，再积分得到整个壳单元的内力[2]。软件给出的分层壳模型要比以前的宏观模型[3]模拟的更加精确，可以叠加rebar-layer考虑多层分布钢筋的作用，还可以考虑面内面外的弯曲耦合作用，更为适合模拟实际工程中剪力墙和楼板大震作用下的非线性行为。
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3 罕遇地震下的弹塑性时程计算
选用天然波1、天然波2、特制人工波三组波，天然波2时程曲线见图6，人工波是根据深圳该工程施工地点的地貌和地质特性制成的。弹塑性时程分析时所用地震加速度时程的最大值为220gal，并且本次研究考虑了双向地震作用。这三组地震波符合《建筑抗震设计规范》[4]和高规要求。导入这3组地震波后，SAUSAGE可以自动生成不同方向上的工况，依次对这几组工况进行时程分析，具体数据详见表4。
不同分析情况下的基底剪力可以判断弹塑性结果的评价标准，由表5可知，大震弹塑性时程基底剪力为小震弹性基底剪力的3.8倍左右，可以判断地震力在合适的范围内，大震弹塑性时程基底剪力与大震弹性时程基底剪力比值在0.7左右，说明罕遇地震下弹塑性时结构整体性能较好，耗能水平优良。
4 罕遇地震作用下的构件抗震性能
软件弹塑性分析完成后，利用SAUSAGE后处理功能，可以查看单元性能，构件性能，钢筋塑性应变等多个指标，进而可以对该超高层做抗震评价，性能评价标准见图7。不在对每条波进行论述，本文主要以基底剪力较大的天然波2，X为主方向的计算结果对柱、楼板、剪力墙、连梁等重要构件进行抗震性能进行评价。时程分析的优势就是可以看到不同时刻的构件损坏情况，也可以看到结构的整个破坏过程。罕遇地震作用的时候，构件损坏顺序是连梁最早产生损坏见图8，图9、图10为30s时罕遇地震下剪力墙损伤分布和结构整体损伤分布，图11为30s时顶层楼板损伤分布。由图可知墙体损坏主要集中在连梁和连梁端部位置，连梁最先损坏来抵消一部分地震能量，是罕遇地震时保护建筑物的首要构件；剪力墙墙身大多处于轻微损坏或无损坏状态，底部加强区剪力墙没有严重损坏，底部加强区连梁轻度损坏见图12；框架柱损坏较轻，没有失去承载力，可以保证建筑物的安全；框架梁大部分处于轻微损坏，没有出现较大破坏；各主要构件在罕遇地震下受力性能良好。
5 结论
本文利用目前设计院广泛认可的SAUSAGE软件建立有限元模型，能够比较快速的对复杂超限结构进行弹塑性分析，该工程可以得出：①通过YJK建立结构整体设计模型然后导入SAUSAGE软件中进行分析，是一种比较简便的对复杂超限高层弹塑性分析的方法，可以较快对实际中复杂超高层建筑进行罕遇地震下的弹塑性分析，SAUSAGE的“双U”计算模式能充分发挥GPU的性能，计算用时5个小时左右，完全可以满足实际设计的需要。②该筒体结构在罕遇地震下位移参数满足抗规要求。总地震时长30s结束时，结构总体损坏不严重，承重构件没有遭到严重破坏，满足大震不倒的设防要求。③连梁是建筑物的“第一道防线”。框架的承载力完全满足要求，未出现严重损伤，框架是连梁后保护建筑物的“第二道防线”。楼板只有顶层局部出现中度损伤，大震下水平力传递比较良好，该超高层结构体系设计合理。
参考文献：
[1]高性能弹塑性动力时程分析软件PKPM-SAUSAGE评审技术报告[M]．广州：广州建研数力建筑科技有限公司，2014．
[2]章征涛，裘赵云，夏长春，樊嵘.某超高层框架-核心筒结构弹塑性时程分析[J].建筑结构，2016，46（S2）：204-209.
[3]韩小雷，李静．基于性能的超限高层建筑结构抗震设计——理论研究与工程应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2013．
[4]GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010． |
