學(xué)術(shù)科研丨蘇州環(huán)貿廣場(chǎng)大震性能數值仿真分析與優(yōu)化
5月17日，位于蘇州工業(yè)園區的蘇州環(huán)貿廣場(chǎng)ICC順利完成封頂，該項目為新鴻基地產(chǎn)在蘇州打造的首座城市綜合體。蘇州環(huán)貿廣場(chǎng)ICC由高310米綜合樓、4F裙樓和花園廣場(chǎng)組成，規劃有購物中心、超甲級辦公樓以及高端住宅。
該項目塔樓建筑高度310m，地下4層，地上67層，采用混凝土框架-核心筒結構體系，為超B級高度且平面和豎向均不規則的超限高層。
項目由中衡設計集團股份有限公司作為主體單位完成設計，其中結構設計還包括顧問(wèn)單位東南大學(xué)建筑設計研究院和ARUP奧雅納工程咨詢(xún)有限公司，此外中衡設計集團針對結構大震性能完成結構動(dòng)力彈塑性分析驗證，并基于此完成相關(guān)優(yōu)化工作。（相關(guān)內容可見(jiàn)中衡設計集團發(fā)表于《建筑結構》（2019，49（01））的論文《蘇州環(huán)貿廣場(chǎng)塔樓結構動(dòng)力彈塑性分析》和《阻尼在結構動(dòng)力計算中的理解與應用》）
關(guān)于結構動(dòng)力彈塑性分析驗證
地震引起的自然災害具有較強的隨機性和復雜性，災害一旦發(fā)生，不僅危及生命安全，還會(huì )造成巨大的經(jīng)濟損失和社會(huì )影響，因此，為滿(mǎn)足建筑結構在地震作用下安全性能需求的不斷提升和個(gè)性化需求，基于性能的抗震設計方法開(kāi)始逐步發(fā)展并得到越來(lái)越廣泛的應用，而通過(guò)動(dòng)力彈塑性分析方法驗證結構在大震下的性能表現，包括屈服機制、損傷和變形程度等，是性能化設計中的必要工作。
結構動(dòng)力彈塑性分析驗證可理解為一種“數字振動(dòng)臺試驗”，可在一定程度上仿真結構在地震波作用時(shí)間下的過(guò)程反應，如層間位移角峰值及其出現的時(shí)間點(diǎn)，塑性鉸出現的時(shí)間點(diǎn)、順序和塑性轉角的發(fā)展等，以及地震波結束后時(shí)段內結構通過(guò)自由振動(dòng)過(guò)程恢復到靜止狀態(tài)時(shí)不可恢復的永久殘余變形，如殘余層間位移角。
摘自《動(dòng)力彈塑性分析在結構設計中的理解與應用》 （張謹，楊律磊 等編著(zhù)，中國建筑工業(yè)出版社，2016）
項目概況
本工程地上建筑由主塔樓和裙樓組成，主塔樓和裙樓之間設抗震縫脫開(kāi)，裙樓為4層框架結構。塔樓建筑總高度為309.85m，結構主屋面標高為298.05m，為采用框架-核心筒結構體系的超B級高度高層建筑，地下4層，地上67層；在39層通過(guò)設置轉換梁轉換少量電梯井道周邊內墻，使酒店式公寓部分核心筒內結構布置相對簡(jiǎn)單；在43層電梯控制柜機房層布置轉換梁轉換上部電梯井道剪力墻。
結構設計基準期和設計使用年限均為50年。結構安全性等級為一級，抗震設防類(lèi)別為重點(diǎn)設防類(lèi)（乙類(lèi)），抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，結構計算的嵌固層設在地下室頂板。采用PERFORM-3D軟件針對塔樓結構進(jìn)行結構彈塑性時(shí)程分析與結構抗震性能評估，建筑效果圖見(jiàn)圖1。
圖1
結構體系與彈塑性模型
結構體系
塔樓采用框架-核心筒結構體系，結構平面尺寸為49.4m×53.7m，標準層平面圖見(jiàn)圖2，結構高寬比為6；核心筒居中布置，平面尺寸25.2m×30.3m，核心筒高寬比為11.8。1~6層商業(yè)層層高為6m，8~38層辦公層（除避難層）層高為4.4m，40~67層酒店式公寓（除避難層）層高為4.2m，設置6個(gè)避難層，分別位于7，18，29，39，49，59層，其層高均為4.75m。
圖2 標準層平面圖
外框柱中下部為型鋼混凝土柱，上部為鋼筋混凝土柱，典型邊柱尺寸由下到上由2100×2300減小至1500×700，角柱尺寸由下到上由2100×2300減小至1000×1000，含鋼率控制在4%~6%。核心筒外墻厚度由下到上由1500mm減小至400mm，內墻厚度由下到上由1000mm減小至400mm。
結構彈塑性模型
構建采用PERRORM-3D軟件，采用自主研發(fā)的模型數據轉換接口A(yíng)RTS-Y2P，可將YJK彈性模型配筋信息轉換為PERFORM-3D非線(xiàn)性模型，柱纖維截面模型見(jiàn)圖3，梁基于塑性鉸模型見(jiàn)圖4，整體結構模型見(jiàn)圖5。
圖3 纖維截面模型
圖4 塑性鉸模型
圖5 整體結構模型（左：YJK模型 右：PERFORM-3D模型）
地震波與阻尼模型
地震波采用2組天然波（NW1，NW2波）與1組人工波（AW波），對結構進(jìn)行三向地震時(shí)程分析，水平主向、水平次向和豎向地震波幅值按1∶0.85∶0.65定義，水平主向地震峰值加速度為220gal。
結構阻尼采用瑞雷阻尼模型來(lái)模擬，設定0.25倍與1.25倍結構第1階周期T1所對應的阻尼比為5%。
性能目標與評價(jià)指標
綜合考慮抗震設防類(lèi)別、設防烈度、場(chǎng)地條件、結構特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度等各項因素，設定結構性能目標為C，D。根據結構構件重要程度不同，結合結構抗震性能目標，結構構件抗震性能目標見(jiàn)表1。
| 抗震烈度水準 | 多遇地震 | 設防地震 | 罕遇地震 |
| 整體變形控制目標 | 1 /500 | — | 1/100 |
| 核心筒底部加強區， 底部加強區框架柱， 支承托墻梁端柱 |
彈性 |
抗剪彈性，
抗彎不屈服 |
滿(mǎn)足截面
受剪要求 |
| 核心筒非底部加強區， 其他外框柱 |
彈性 | 少量可彎曲屈服 | 局部彎曲屈服 |
| 連梁 | 彈性 | 可彎曲屈服 | 彎曲損壞 |
| 框架梁 | 彈性 | 部分可彎曲屈服 | 可彎曲屈服 |
| 托墻梁 | 彈性 | 彈性 | 不屈服 |
表1 結構構件抗震性能目標
基于抗震性能目標設定不同性能狀態(tài)對應的構件塑性轉角限值（表2），同時(shí)在分析模型中設定構件材料應變限值（表3）。
| 構件類(lèi)別 | 輕度損傷 | 中度損傷 | 重度損傷 | 本文限值 |
| ＲC 轉換梁 ＲC 普通梁 ＲC 連梁 SＲC 與ＲC 柱 剪力墻 |
0. 002 0. 005 0. 005 0. 003 0. 002 |
0. 004 0. 015 0. 02 0. 007 0. 005 |
0. 006 0. 02 0. 04 0. 008 0. 01 |
≤0. 002 ≤0. 015 ≤0. 04 ≤0. 003 ≤0. 002 |
表2 不同性能狀態(tài)彎曲塑性角限值
| 構件類(lèi)型 | 混凝土壓應變 | 鋼筋拉應變 |
| 墻 ＲC 柱 SＲC 柱 |
0. 003 | 0. 004 |
| 轉換梁 轉換梁端柱 |
0. 002 | 0. 002 |
表3 材料應變限值
模型一致性校核
為保證非線(xiàn)性結構模型能正確反映結構特性，在進(jìn)行非線(xiàn)性分析之前，比較了基于PERFORM-3D模型與基于YJK模型的基本周期和振型，對比結果見(jiàn)表4，結構前3階振型見(jiàn)圖6。
| 軟件 | YJK | PEＲFOＲM-3D | |
| 周期/s | T1 T2 T3 |
7.45 6.90 4.91 |
7.41 6.86 4.30 |
| 總質(zhì)量/t | 292 615 | 287 923 | |
表4 抗震性能目標
圖6 結構前3階振型
彈塑性時(shí)程分析結果
圖7給出了結構在NW1波作用下彈性模型與彈塑性模型頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線(xiàn)，分析結果表明，結構頂點(diǎn)位移由2.5m減小為1.0m。
圖7 NW1波作用下結構頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線(xiàn)
圖8為罕遇地震作用下結構X向和Y向樓層的彈塑性層間位移角，可以看出所有樓層的層間位移角均小于1/100。圖9為NW1地震波作用下結構能量時(shí)程分布，結果表明，阻尼耗能與塑性耗能是結構的主要耗能形式，阻尼耗能與塑性耗能相當。圖10為構件層面的塑性損傷狀態(tài)，結果表明損傷狀態(tài)均滿(mǎn)足性能目標要求。圖11為39層和43層轉換層中轉換梁的彎曲塑性轉角計算結果，圖中1.0代表塑性轉角達到限值0.002（輕度損傷），結果表明轉換梁塑性轉角都在限值范圍內。
圖8 層間位移角計算結果
圖9 結構能量分布
圖10 構件塑性損傷狀態(tài)
托墻轉換梁的抗震等級為特一級，為準確模擬其力學(xué)特性，基于Midas Gen軟件，對結構轉換構件的應力分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，為動(dòng)力彈塑性分析中其力學(xué)模型的建立提供依據，同時(shí)也為施工圖設計中采取的抗震構造措施提供參考。轉換梁采用殼單元模擬，圖11所示為Midas Gen分析結果基本呈現為梁下部承受拉應力，上部及梁端出現壓應力。
圖11 某轉換梁應力分布
根據轉換梁與其支托墻的力流分布特征，如圖12所示優(yōu)化減小轉換梁截面上部截面寬度，下部截面保持不變， 以保證轉換梁減小截面的同時(shí)仍能夠承受較大的拉力。
圖12轉換梁截面調整方式
圖13所示轉換梁抗震性能表明，減小截面后的轉換梁仍具有較好的抗震性能，滿(mǎn)足預設性能目標，且與優(yōu)化前塑性損傷狀態(tài)基本一致。
圖13 優(yōu)化設計前后轉換梁塑性轉角
與SAUSAGE軟件分析結果的對比
結構顧問(wèn)單位采用了SAUSAGE軟件對結構進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性分析，因此中衡設計對PERFORM-3D軟件和SAUSAGE軟件的分析結果進(jìn)行了對比研究。
結構體系與彈塑性模型
頂點(diǎn)位移曲線(xiàn)
圖14為兩個(gè)軟件計算出的AW波X主向輸入下外框柱頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線(xiàn)。PERFORM-3D計算出時(shí)程曲線(xiàn)與SAUSAGE的形狀較為一致，且兩個(gè)軟件計算的時(shí)程曲線(xiàn)峰值點(diǎn)出現時(shí)刻較為一致。
圖14 AW波X主向作用下外框柱頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線(xiàn)
核心筒損傷
圖15為兩個(gè)軟件計算出的核心筒損傷分布。由圖可知，PERFORM-3D與SAUSAGE計算出的核心筒損傷分布趨勢較為一致，PERFORM-3D計算出非底部加強區局部損傷程度要低于SAUSAGE結果。
圖15 核心筒損傷分布圖
對比分析
對兩個(gè)軟件的力學(xué)模型和分析結果進(jìn)行對比研究，產(chǎn)生不同結果的主要原因有如下4點(diǎn)：
1）核心筒底部力學(xué)模型不一致。PERFORM-3D模型中為控制中震雙向地震作用下混凝土拉應力不大于2倍抗拉強度標準值，構件模擬考慮了附加型鋼作用，且邊緣構件采用纖維截面模型模擬，而非彈塑性桿元與實(shí)際受力工作狀態(tài)一致，不存在等效。PERFORM-3D模型核心筒底部區域損傷較SAUSAGE模型略輕，同時(shí)可說(shuō)明此區域型鋼存在一定的優(yōu)化空間。
2）阻尼模型不一致。SAUSAGE模型采用了擬模態(tài)阻尼計算方法；PERFORM-3D模型采用了瑞雷阻尼計算方法。由于瑞雷阻尼的高階振型對應的阻尼比要高于5%，因此采用瑞雷阻尼計算結果要偏小于5%的模態(tài)阻尼，見(jiàn)圖16。
圖16 阻尼模型
3）材料本構不一致。在SAUSAGE模型中，鋼材和混凝土材料的本構模型中應用了標準值；在PERFORM-3D模型中，為了充分挖掘結構性能儲備，鋼材的本構模型應用了極限值，柱箍筋范圍內的混凝土本構模型采用了約束混凝土理論（峰值應力、應變均有所提高）；因此PERFORM-3D模型計算的豎向構件塑性損傷會(huì )比SAUSAGE模型小，但結構的塑性損傷會(huì )更加集中在水平構件（連梁）上。
4）單元模型不一致。在SAUSAGE模型中連梁采用了殼單元模擬；PERFORM-3D模型中連梁采用了梁?jiǎn)卧M，見(jiàn)圖17；塑性開(kāi)展后，梁?jiǎn)卧膭偠纫^殼單元小，可能會(huì )減小結構的內力響應。
圖17 單元模型
基于TBI的動(dòng)力彈塑性分析
計算參數設置
《基于性能的高層建筑抗震設計準則》（Guidelines for performance-based seismic design of tall buildings，簡(jiǎn)稱(chēng)TBI）由加州大學(xué)伯克利校區的太平洋地震工程研究中心（PEER）發(fā)布，其建立了第一代建筑性能化抗震設計方法的框架，代表了目前較為先進(jìn)的性能化設計水平。項目中基于此設計準則，完成了動(dòng)力彈塑性分析，其與國內已有方法有較多不同，包括初始阻尼比調整為2.5%，活荷載重力代表值系數調整為0.25。
根據前述結構動(dòng)力彈塑性分析結果，選取引起結構響應最大的AW波進(jìn)行分析。
頂點(diǎn)位移曲線(xiàn)
圖18為結構頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線(xiàn)，X向頂點(diǎn)位移最大值為1.787m，Y向最大值為1.657m，分別為罕遇地震作用下頂點(diǎn)位移最大值的1.17倍和1.30倍。
圖18 結構頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線(xiàn)
層間位移角曲線(xiàn)
圖19為結構層間位移角分析結果，X向層間位移角最大值為1/115，Y向為1/124，分別為罕遇地震作用下層間位移角最大值的1.45倍和1.34倍。彈塑性層間位移角最大值1/115小于TBI建議限值3%，說(shuō)明結構抗震性能滿(mǎn)足TBI要求。
圖19 結構層間位移角曲線(xiàn)
結論
1）罕遇地震作用下，彈塑性模型的結構周期約為彈性模型的1.21倍。
2）在罕遇地震作用下，結構在各個(gè)地震波作用下X向最大層間位移角為1/110，Y向最大層間位移角為1/114，均滿(mǎn)足規范小于1/100的要求。
3）結構能量分布時(shí)程表明，阻尼耗能與塑性耗能是結構的主要耗能形式，阻尼耗能與塑性耗能相當，塑性開(kāi)展程度基本接近中等程度。
4）構件層面的塑性損傷狀態(tài)表明，連梁作為結構抗震第一道防線(xiàn)，在地震作用下迅速進(jìn)入損傷階段，并在整個(gè)地震過(guò)程中保持耗能作用；在地震作用后，連梁損傷較大，損壞較為明顯，達到耗能設計意圖，其屈服耗能有效地保護了主體墻肢不被嚴重損壞；樓面梁處于輕度或中度損壞狀態(tài)，底部區域柱與上部區域柱輕度損壞；少量墻肢處于輕微或輕度損壞狀態(tài)，個(gè)別墻肢發(fā)生中度損壞，但其范圍較小，結構的整體性依然保持較好。
5）轉換梁經(jīng)優(yōu)化設計后彈塑性分析得到的彎曲塑性轉角仍滿(mǎn)足性能目標要求。
6）構件設計階段，針對結構薄弱環(huán)節采取加強措施，以期進(jìn)一步提高結構抗震性能。
7）PERFORM-3D模型與SAUSAGE模型的結構頂點(diǎn)位移曲線(xiàn)、塑性損傷分布等宏觀(guān)分析結果較為一致，能夠互相驗證。
8）結構抗震性能滿(mǎn)足TBI要求。
參考文獻
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