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T1塔楼Perform-3D动力弹塑性分析 周坚荣，吴兵，傅学怡，邸博，冯叶文 （深圳大学建筑设计研究院，深圳，518060) 摘要：沈阳宝能金融中心T1塔楼地上113层，建筑高度为565m，结构高度548m.
本文详细地介绍了该塔楼在七组地震 波、共14个分析工况的7度大震动力弹塑性分析的分析结果，计算表明：结构在大震作用下具有良好的抗震性能，满足一大 震不倒“的设防要求，实现预定的性能目标.
通过弹性与弹塑性大震对比，找到结构存在的薄弱部位，并进行加强.
最后， 总结本工程借助PERFORM-3D程序进行动力弹塑性分析分析存在的间题和经验，供广大工程人员参考和借鉴.
关键词：抗震性能动力弹塑性分析弹性与弹塑性大震对比PERFORM-3D 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，建筑基底 面积58424.1m².
其中T1塔楼地上113层，建筑高度为565m，结构高度548m，建筑效果图如图1所示.
T1塔楼包括8个由机电层及避难层分隔开的分区，在每个分区有8至15层层高为4.5m、6m的办公楼层.
顶层高27m高，为高级企业会所，屋面以上有17m高的玻璃幕墙.
每区有2层用作机电层和避难层综合 功能，分区示意图如图2所示.
塔楼平面为四角内缩的正方形，中部楼层以下随高度上升略有外扩，中部 楼层以上逐渐缩小，楼层平面的变化表现为外围的幕墙以及巨柱的向外、内倾斜.
在地面层至30层，巨柱 向外略有倾斜（基本保持竖直），而76层以上则向靠近核心筒以倾斜，典型平面图如图3所示.
图1建筑效果图 图2分区示意图 图3典型平面图 T1塔楼采用“劲性钢筋混凝土核心筒-外伸臂外围巨型斜撑框架"的抗侧力体系，如图4所示.
沿塔 楼全高设置4道外伸臂，使核心筒与巨柱有效地连接在一起，改善结构的性能和余度，增加结构抗侧刚 度.
在1~3、7区顶部的机电/避难层设置两层高的外伸臂，外伸臂与内埋于核心筒角部的钢管柱相连.
为 作者简介：周坚荣，男，19824出生，工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2 2014年 了保证传力的连续性，伸臂的弦杆将贯穿核心筒，同时在墙体两侧的将设置X形斜撑.
结合每个区的避难/机电层或机电层，在塔楼高度方向均匀布置八道周边带状桁架.
在1~8区布置两层 高的周边桁架.
带状桁架连接巨柱，将塔楼的外围形成巨型框架，承担大部分由侧向力引起的倾覆力矩.
1~4区带状桁架为空间双桁架，5~8区为单桁架，角桁架均为空间双桁架.
在每两个相邻的周边桁架间布 置一道巨型斜撑，斜撑连接相邻两根巨柱，在每个区始于下部周边桁架的上弦杆，止于上部周边桁架的下 弦杆.
底部结合入口大堂需要设人字形斜撑，上部采用单向斜撑，斜撑均居柱中布置.
此外，结构顶部 （108~113层）采用钢管混凝土巨柱带斜撑钢框架结构体系.
图4结构抗侧力体系示意图 沈阳宝能金融中心T1塔楼分别采用PERFORM-3D、ABAQUS程序进行动力弹塑性分析，两个程序分 析结果基本一致，其中第三方由广州容柏生建筑结构设计事务所运用ABAQUS程序进行复核.
本文重点 介绍PERFORM-3D程序的分析结果.
2弹塑性模型的建立与校核 2.1模型的建立 动力弹塑性分析目的在于捕捉结构和构件的破坏情况，发现结构是否存在薄弱部位.
因此，在保证计 算精度的前提下，应尽可能的简化计算模型，节省计算时间，抓住整体结构中主要抗侧结构体系的地震反 应.
基于以上考虑，PERFORM-3D弹塑性分析模型假定如下： 1）剪力墙、巨柱为包含弯曲和剪切变形的纤维墙单元.
墙单元是有4个铰点的矩形有限元，具有平面 内和平面外弯曲、轴向和剪切刚度，能模拟潜在的弯曲和剪切非线性行为（即开裂、屈服）： 2）连梁定义为FEMA梁模型.
该模型为弯曲弹塑性模型，能模拟连梁的弯曲非线性，能考虑反复荷载 下刚度、强度的损失： 3）伸臂、周边腰桁架、巨型斜撑、顶部钢结构等钢构件定义为具有非线性属性的杆系（梁、柱、支 撑）纤维单元： 4）考虑材料以及几何非线性（P-△效应），纤墙单元、杆系纤维单元材料均基于中国规范： 5）不考虑楼板作用，采用刚性隔板.
结构质量考虑为点质量，荷载（恒载、活载）考虑为点荷载： 6）结构嵌固端为地下室顶板： 7）混凝土构件配筋基于重力、风、小震组合设计及中震性能化设计下配筋的包络结果.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 装柜 巨型支撑 图5PERFORM-3D弹塑性分析模型示意图 加强层 2.2模型的校核 在PERFORM-3D模型中包含主要抗侧力构件如核心筒、连梁、巨柱、伸臂、腰桁架和巨型支撑.
在非线性分析之前，比较了PERFORM-3D模型和ETABS模型的质量、周期，两者比较接近如表1所示.
表1PERFORM-3D、ETBAS计算模型校核 周期 T1 T2 T3 PERFORM-3D(s) ETABS(s) 8.68 8.60 3.08 8.69 8.57 3.98 结构总质量() 6.698 E05(ETABS)、 6.721E05(PERFORM-3D) 3整体计算结果 3.1弹塑性分析整体指标 本工程选用符合规范要求的七组大震波（两组人工波、五组天然波）三向（1：0.85：0.65）输入，持 续时间50s，主方向地震波峰值为220Gal，阻尼比为3.5%，分别对结构X、Y两个主方向进行共14个工 况的罕遇地震下的弹塑性时程分析，表2-表3为结构在七组地震波作用下弹塑性分析整体结果汇总.
表2X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) 107层以下最大层间位移塔冠钢结构最大层间位移 X向基底剪力（kx） 角（楼层） 角（楼层） /剪重比 L745-1 2182(1/251) 1/151(68) 1/108(111) 381311/5.67% L745-4 1332(1/411) 1/238(99) (111)611/1 344965/5.13% L0472 1944(1/282) 1/175(68) 1/105(111) 359170/5.34% L0473 1618(1/339) 1/206(68) 1/106(111) 1/187(99) 359787/5.35% 305483/4.54% L0031 1172(1/467) 1/85(111) L2614 1559(1/352) 1/157(68) 1/151(68) 1/147(111) 328865/4.89% L0781 1376(1/398) 1/121(111) 236452/3.52% 1598(1/343) 1/176 1/110 330862/4.92% 表3 Y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) 107层以下最大层间位 塔冠钢结构最大层间位 Y向基底剪力（kN）/剪 移角（楼层） 移角（楼层） 重比 L745-1 L745-4 2091(1/262) 1/149(67) 1/123(111) 1/104(111) 368026/5.48% 1302(1/421) 1/221(101) 357341/5.32% L0472 1828(1/300) 1/197(68) 1/109(111) 359837/5.35% L0473 1521(1/360) 1/232(68) 1/110(111) 306050/4.55% L0031 1093(1/501) 1/230 (86) 1/154(68) 1/99(111) 300300/4.47% 346450/5.15% L2614 1517(1/361) (11)881/1 L0781 平均值 1353(1/405) 1/155(68) 1/140(111) 213470/3.18% 1530(1/358) 1/185 1/120 321639/3.79%
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 由表2、表3可知，结构大震弹塑性分析整体指标的综合评价如下： 1）107层下主体结构X向最大层间位移角为1/151（68层），七组波平均值为1/176：Y向最大层间 位移角为1/149（67层），七组波平均值为1/185.两个方向位移角均小于规范1/100的限值； 2）在107层以上塔冠钢结构X向最大层间位移角为1/85（111层），七组波平均值为1/110：Y向最 大层间位移角为1/99（111层）.两个方向位移角均小于规范1/50的限值： 3）结构X向最大顶点位移为2182mm（1/251），七组波平均值为1598（1/343）：Y向最大顶点位移 2291mm(1/262)，七组波平均值为1530(1/358）： 4）从变形角度来看，人工波L745-1作用下主体结构响应最大，两个方向结构最大层间位移角、结构 顶点位移均为七组波中最大值：对于塔冠钢结构而言，天然波L0031作用下响应最大，两个方向 最大层间位移角均为最大值.
L0031波在0.1~2s区间能量较大，主要激发塔冠钢结构振动.
3.2弹性与弹塑性大震对比 弹性与弹塑性大震对比有重要的实际意义，不仅可以宏观上判断大震弹塑性分析的合理性，更重要的 是通过对比两者结果可以更好地寻找结构的薄弱部位.
需要指出，弹性与弹塑性大震对比应在同一软件输 入同一地震波前提下计算对比，两者唯一区别在材料是否考虑非线性.
下面给出本工程弹性与弹塑性大震 对比结果，表4、表5为基底剪力、顶点位移对比，图6、图7为位移角曲线、楼层侧移曲线对比（限于篇 幅关系，仅给出两组波的对比结果）.
由表4可知，弹塑性大震基底剪力与弹性比值X向为0.67~0.91、Y向为0.64~0.90，两个方向比值的均值 均为0.8，上述比值处于合理区间，说明本工程动力弹塑性分析结果的可靠性.
从表中可知，大震作用下， 结构进入弹塑性状态，具体表现在连梁屈服耗能、混凝土开裂等等，结构刚度较弹性阶段降低，塑性变形 越大，结构刚度降低幅度越大.
结构刚度的降低使弹塑性大震的基底剪力较弹性大震小.
由图7可知，弹塑性大震楼层侧移与弹性大震基本相当，由图7、表5可知，弹塑性大震顶点位移较弹性 基本相当，X向比值为0.8~1.0，平均值为0.87：Y向比值为0.86~0.99，平均值为0.90. 由图6可知，在人工波L754-1作用下，结构二、三、四区楼层弹塑性层间位移角曲线明显大于弹性曲线： 在天然波L0031作用下，结构二、四、六、七区楼层弹塑性层间位移角曲线明显大于弹性曲线.
基于以上对 比结果，对于弹塑性层间位移角曲线明显大于弹性曲线区域应重点考察，上述区域为结构塑性变形较大部 位，结构薄弱部位很大可能出现在上述区域的主抗侧力构件.
经考察分析，上述区域核心筒内墙（少量外 墙）出现的剪切应变相对较大，详见后文.
表4结构弹性与弹塑性大震基底剪力对比 X为主输入方向 Y为主输入方向 弹塑性(kN) 弹性(kN) 弹塑性/弹性 弹塑性（kN） 弹性(kN) 弹塑性/弹性 L745-1 381311 472670 0.81 368026 465470 0.79 L745-4 344965 441523 0.78 357341 430563 0.83 L0472 359170 449244 08′0 359837 444272 L0473 396687 0.77 0.81 305483 306050 402697 0.76 L0031 359787 397488 0.91 346450 385838 980 0.90 L2614 328865 381583 300300 351496 0.85 L0781 236452 354251 0.67 213470 335187 0.64 平均值 330862 413349 0.80 321639 402218 0.80 表5结构弹性与弹塑性顶点位移对比 弹塑性（mm） x为主输入方向 弹塑性（mm） Y为主输入方向 弹性（mm） 弹塑性/弹性 弹性（mm） 弹塑性/弹性 L745-1 2182 2419 0.90 2091 2359 0.89 L745-4 1332 1329 1.00 1302 2048 1316 0.99 L0472 1944 2179 0.89 1828 0.89 L0473 1618 1926 0.84 1521 1728 0.88 L0031 1172 1352 0.87 601 1231 0.89 L2614 1559 1895 0.82 1517 1695 0.89 L0781 1376 1720 0.80 1353 1581 0.86 平均值 1598 1831 0.87 1529 1708 0.90
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014 年 taS L754-1波 X向 L754-1波Y向 L0031 波X向 L0031波Y向 图6结构弹性与弹塑性大震位移角曲线对比 85 1 rR类显量大排8 (xn) 细量大组6(mm) 1000 L754-1波X向 L754-1波Y向 L0031波X向 L0031波Y向 图7结构弹性与弹塑性大震楼层侧移对比 4构件的非线性表现 从整个弹塑性时程分析过程来看，本塔楼在七组波作用下的14个工况非线性表现共同点如下： 1）结构在最初时间内表现为弹性： 2）上部核心筒、顶部巨柱局部开裂，伴随少量连梁开始屈服： 3）屈服的连梁数量逐渐增加，上部核心筒、顶部巨柱沿高度进一步开裂，上部巨柱在与环形桁架及 外伸臂节点位置开始出现开裂： 4）巨型支撑、伸臂桁架、腰桁架及塔冠钢结构始终处于不屈服状态.
下面分别给出核心筒、巨柱、关键部位钢构件（外伸臂、腰桁架、巨型斜撑及塔冠钢结构）非线性表 现.
4.1核心筒、巨柱、连梁 下面给出能量较大的人工波L754-1作用下的核心筒、巨柱及连梁非线性表现.
