第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 沈阳宝能金融中心住宅塔楼动力弹塑性分析 冯叶文，周坚荣，孟美莉，吴兵，傅学怡 （深圳大学建筑设计研究院，深圳，518060) 摘要：本文通过对沈阳宝能金融中心住宅5栋塔楼中的4#、6进行了动力弹塑性分析，计算表明：两栋塔楼能实现一大 震不倒”，达到预定的性能目标.
分析发现结构7层部分剪力境收短过快容易形成薄弱层，施工图设计中拟采用2-3层 缓慢收进，以此推广到其它类似情况的塔楼.
另外，动力弹塑分析很好地验证了本工程住宅塔楼“束筒-连梁“概念的剪 力境布置方案有效地提高了结构抗震能力（刚度与承载力），使结构富有延性.
关键词：动力弹塑性分析薄弱层“束筒-连梁"概念的剪力墙布置方案抗震能力 1工程概况 沈阳宝能金融中心项目位于沈阳市沈河区，总用地面积58424.1m²，总建筑面积107万m².
项目包括 1栋办公塔楼T1、1栋酒店公寓塔楼T2、5栋超高层住宅及5商业裙楼及5层地下室，建筑效果图见图1.
其中T1办公塔楼、T2酒店塔楼分别设缝与商业裙房分开，5栋住宅塔楼（T3~T7）与商业裙房之间不设永 久缝，各塔楼平面及结构分缝示意见图2.
5栋住宅塔楼主体高为194~200m，采用全落地剪力墙结构，设 有五层裙房，裙房高为28.0m，六层为架空层，层高6.8m，七层以上为住宅标准层，层高3.0m，主体结构 59层，高约为194.55m，局部出屋面为机房.
结构设计时，结合住宅的建筑特点，剪力墙均匀布置，通过 加厚外翼墙肢、围合剪力墙等措施构成平面内多个有效筒体，整栋塔楼主体结构由多个束筒一连梁构成， 产生束筒效应，充分发挥整体结构空间作用，有效的提高了结构的抗侧、抗扭刚度.
结构缝 6#楼 结构缝 图1建筑效果图 图2各塔楼平面布置及地面以上结构分缝示意 本工程塔楼数量较多，综合考虑各塔楼的户型、受力行为的差异性等因素，有针对性选择科4、进行 动力弹塑性分析，分析软件选用Perform-3D.
根据上述两塔楼整体计算结果及薄弱部位，户型一致、受力行 为相似的塔楼具有参考价值，对可能存在的薄弱部位进行加强.
本文重点介绍4、6动力弹塑性分析结果.
作者简介：冯叶文（1983-），男硕土，工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 2弹塑性模型的构建 2.1材料模型 混凝土：受压采用多折线模型，能考虑循环过程中刚度退化，可以选择是否考虑约束混凝土，多折线 模型可根据《混规》[2]附录C公式确定相关参数.
此外，可选择是否考虑抗拉强度.
钢筋：采用二折线模型，拉压对称，不考虑刚度退化.钢筋屈服强度取标准值，强化段模量可取0.01Es（Es 为钢筋弹性模量），极限抗拉应变可取0.01.
2.2构件模型 剪力墙：采用Shearwallelement模拟，该单元为四节点单元，平面内力学特性由轴向-弯曲特性和剪 切特性组成，两者相互独立.
单元的扭转及平面外弯曲、剪切均假定为弹性.
剪力墙边缘构件纵筋通过添 加 Steel bar单元实现，Steel bar单元与 Shear wall element共节点连接.
框架柱：采用弹性杆集中塑性较（PMM较）的FEMA柱模型模拟，柱子的剪切、扭转均假定为弹性.
连梁、框架梁：采用弹性杆集中塑性铰的FEMA梁模型来模拟.
连梁剪切行为较明显，在梁两端设 置剪切强度截面，根据规范计算截面限制条件，如果计算后截面剪力超过设定强度值，则需调整梁截面大 小，防止其发生剪切破坏.
框架梁比较容易实现“强剪弱弯”，跨高比小的框架梁也可以按上述方式处理剪 切行为.
2.3整体模型的简化 在保证计算精度的前提下，弹塑性模型应尽可能简化，节省计算时间，抓住整体结构中主要抗侧结构 体系的地震响应.
本工程作了以下假定：（1）嵌固端可选择在地下室顶板，仅分析地上塔楼：（2）采用刚 性楼板假定，楼板不进入整体计算模型.
弱连接的楼板通过弹性楼板考虑刚度退化近似模拟：（3）次要构 件：对整体结构抗侧贡献较小的次要构件可不进入整体模型，如楼面次梁、周边悬挑构件等，保留相应的 荷载及质量.
3构件非线性判别标准 对于屈服构件，结合国美国规范ASCE41-06，剪力墙、连梁及框架梁塑性变形能力判别标 准见表1、表2.
表1剪力墙纤维应变容许准则 表2塑性转角容许准则 纤维应变 部位 允许最大应变 构件IOLSCP 钢筋拉应变 塑性较区域 框架梁、连梁0.0050.010.02 非塑性较区域 1.5ee 混凝土压应变 Eca 注：为钢筋屈眼应变，为混凝土极限压应变.
4整体计算结果 选用满足规范要求的两组天然波和一组人工波进行六个双向输入分析工况的动力弹塑性分析.
计算 过程中，主、次方向地震波峰值加速度比为1:0.85，加速度峰值为220cm/s2，地震波持续时间均为40s.
先对结构进行重力荷载代表值作用下的非线性静力加载，然后接力进行动力弹塑性分析.
动力弹塑性分 析整体指标见4.2、4.3节，模型校核结果见4.1节.
4.1模型的校核 在非线性分析之前进行模型检查，校核Perform3D、Satwe模型质量、基本周期，各程序的计算结 果均比较接近，误差在工程允许的范围内，详见表3、表4.相对弹性模型，弹塑性模型（Perform3D 模型）周期略短，结构刚度略大，主要因为弹塑性模型连梁刚度没有折减.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 表34#模型校核 周期 T1 T2 T3 T4T5T6 Satwe(s) 4.288 4.011 3.420 1.353 4.1413.828 1.068 Perform 3D (s) 3.131 1.215 1.0990.984 结构总质量（1） 149266 (Satwe) 153683(Perform 3D) 表46#模型校核 周期 T1 T2 T3 T4 T5T6 Perform 3D (s) Satwe(s) 4.7624.557 2.244 1.4281.1840.825 4.6284.466 2.137 65974 (Satwe) 1.3041.1160.783 结构总质量（t） 66507(Perform 3D) 4.24#弹塑性分析整体指标 表5X向为主方向输入的计算结果 地震波名称 顶点位移（mm）（△/H） 最大层间位移角（楼层） X向基底剪力（kN）/剪重比 L7452 469 (1/415) 1/293 (27) 107349/7. 13% L0398 381 (1/511) 1/341 (37) 77671/5. 16% L0523 528 (1/368) 1/226 (22) 77563/5. 15% 表6Y向为主方向输入的计算结果 地震波名称顶点位移（mm）（△/H） 最大层间位移角（楼层） Y向基底剪力（kN）/剪重比 L7452 536(1/363) 1/221 (55) 107058/7.1% L0398 619 (1/314) 1/250 (42) 113737/7. 55% L0523 698 (1/279) 1/210 (31) 103329/6. 86% 表7L0523波作用下弹塑性与弹性大震比较结果 基底剪力（kN） 顶点位移（mm） 最大层间位移角（楼层） x为主方向 弹塑性 77563 528 1/226 (22) 输入 弹性 109616 590 1/239(23) 弹塑性/弹性 71% 89% 106% Y为主方向 弹塑性 103329 698 1/210(31) 输入 弹性 153218 68 1/191 (32) 弹塑性/弹性 67% 88% 91% X向 Y向 图3L0523波作用下弹塑性与弹性大震位移角曲线比较 从表5、表6可知，X向最大顶点位移为528mm，相应的位移角为1/368，Y向最大顶点位移为698mm， 相应的位移角为1/279：X向、Y向最大层间位移角分别为1/226和1/210，均小于规范1/120的限值，结构 未出现倒塌现象，能实现“大震不倒”，达到预定的性能目标.
表7为L0523波作用下弹塑性与弹性大震比较结果，从表中可以看出，由于结构在大震作用下混凝 土发生损伤，出现了塑性变形，周期变长，使得地震作用（基底剪力）较弹性分析的小，弹塑性的结果 约是弹性结果的67~71%：从顶点位移比较来看，地震作用减小，导致顶点位移也随之减小，弹塑性结 果为弹性结果的88~89%； 从表7、图3可知，大部分楼层弹塑性位移角要比弹性位移角小，两个方向弹塑性最大层间位移角
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 所在楼层与弹性基本一致.
X方向最大层间位移角附近的楼层弹塑性位移角要比弹性位移角要大：Y方 向最大层间位移角附近的楼层弹塑性位移角要比弹性位移角略小，中下部楼层（7-15层）比弹性位移角 大.
4.36#弹塑性分析整体指标 表8X向为主方向输入的整体计算结果 地震波名称 顶点位移（mm）（△/H) 最大层间位移角（楼层） X向基底剪力（kN）/剪重比 L745-2 454 (1/429) 1/292 (31) 37488 (5. 75%) L0398 472 (1/413) 1/243 (26) 29226 (4. 45%) L0523 652 (1/298) 1/196 (26) 33955 (5. 21%) 表9Y向为主方向输入的整体计算结果 地震波名称 顶点位移（mm）（△/H） 最大层间位移角（楼层） Y向基底剪力（kN）/剪重比 L745-2 (628/1) 209 1/257 (29) 44062 (6. 76%) L0398 494 (1/394) 1/267 (39) 38119 (5. 85%) L0523 735 (1/265) 1/210 (27) 38017 (5.83%) 表10L0523波作用下弹塑性与弹性大震比较结果 基底剪力（kN） 最大层间位移角（楼层） x为主方向 弹塑性 33955 652 1/196 (26) 输入 弹性 52332 749 1/180 (28) 弹塑性/弹性 65% 87% 92% Y为主方向 弹塑性 38017 735 1/210 (27) 输入 弹性 52800 835 1/189 (26) 弹塑性/弹性 72% %88 89% 从表8、表9可知，X向最大顶点位移为652mm，相应的位移角为1/298.Y向最大顶点位移为735mm， 相应的位移角为1/265：X向、Y向最大层间位移角分别为1/196和1/210，均小于规范1/120的限值：结构 未出现倒塌现象，能实现“大震不倒”，达到预定的性能目标.
表10为L0523波作用下弹塑性与弹性大震比较结果，从表中可以看出，由于结构在大震作用下进入 弹塑性阶段，周期变长，使得地震作用（基底剪力）较弹性分析的小，弹塑性的结果约是弹性结果的 65~72%：从顶点位移及层间位移角比较来看，地震作用减小，导致顶点位移也随之减小，弹塑性结果为 弹性结果的87~88%：弹塑性最大层间位移角较弹性的要小，约为弹性的89%.
5构件性能水准评价 5.14#构件性能水准评价 a.混凝土压应变分布图 b.混凝土拉应变分布图 c.钢筋拉应力分布图 d.连梁塑性较分布图 图4 4构件性能水准 计算结果表明，剪力墙混凝土压应变最大约为0.6Eo，主要分布结构底层、7层，第7层混凝土压应变
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 较大是部分剪力墙收短引起，如图4中a：混凝土开裂较严重部位主要分布在结构底层、7层及相邻楼层、 上部楼层两端山墙，如图4中b.
上述部位也是钢筋拉应力较高部位，未见钢筋发生屈服，最大钢筋拉应 力为250Mpa，如图4中c：绝大部分连梁进入屈服状态，性能水准处于IO-LS阶段，少量连梁进入CP阶段 甚至破坏，如图4中d.
大震作用下，连梁屈服耗能，有效地发挥第一道防线的作用，达到了“强墙肢弱连 梁“的目标.
从连梁形成塑性较的过程可以看出，最大层间位移角所在楼层附近连梁首先形成塑性铰，然 后向其他楼层连梁扩展.
5.26#构件性能水准评价 a.混凝土压应变分布图b.混凝土拉应变分布图 c.钢筋拉应力分布图d连梁塑性较分布图 图56#构件性能水准 计算结果表明，剪力墙混凝土压应变最大约为0.73E，主要分布结构底部两层、7层，第7层混凝土压 应变大是部分剪力墙收短引起的，如图5中a：剪力墙混凝土开裂较严重的部位主要分布在结构中下部楼 层、顶部楼层，如图5中b：墙肢钢筋均处于弹性阶段，最大钢筋拉应力为230Mpa，钢筋拉应力水平较 高的墙肢主要分布在结构底层、7层，如图5中c.
绝大部分连梁进入屈服状态，性能水准处于IO~LS阶 段，少量连梁进入CP阶段甚至破坏，如图5中d.
大震作用下绝大部分连梁有效地发挥作为第一道防线的 作用，达到了“强墙肢弱连梁“的目标.
6结语 通过对沈阳宝能金融中心住宅5栋塔楼中的4#、6#进行了动力弹塑性分析，主要结论如下： 1）经分析的两栋塔楼最大层间位移角均小于规范1/120的限值，且有较大富余.
整个分析过程结构 未出现倒塌现象，能实现“大震不倒”，达到预定的性能目标.
从这一方面验证了，本工程住宅塔楼"束 简-连梁“概念的剪力墙布置方案有效地提高了结构抗震能力（刚度与承载力）： 2）两个塔楼中的连梁绝大部分连梁屈服耗能，有效地发挥作为第一道防线的作用，达到“强墙肢 弱连梁”的目标.
从这一方面验证了，本工程住宅塔楼“束筒-连梁"概念的剪力墙布置方案使结构富 有延性，连梁屈服耗能，很好地保护了墙肢： 3）两个塔楼计算结果都表明，结构7层部分剪力墙存在收短现象，剪力墙混凝土压应变、钢筋拉 应力在该楼层较大，容易形成薄弱层.
施工图设计中拟采用2-3层缓慢收进，避免墙肢收短导致结 构承载力在该楼层削弱过大形成薄弱层，改善结构的破坏形态，以此推广到其它类似情况的塔楼.
参考文献 [1]JGJ32010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010. [3]GB 50001-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010 [3]深圳大学建筑设计研究院，沈阳宝能金融中心结构工程超限高层专项审查送审报告[R].2014.3 [4]周坚荣，张克等，望京搜候中心T3塔楼动力弹塑性分析，第二十二届全国高层建筑结构学术会议论文，2012年
