第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 厦门裕景中心SOHO塔楼结构动力弹塑性分析 耿娜娜，徐自国，任重翠！
（1.中国建筑科学研究院，北京100013） 摘要：厦门裕景中心SOHO塔楼属于扭转不规则、总高度超限并带有加强层的复余高层建筑.
本文采用ABAQUS 弹塑性分析方法对结构进行了罕遇地震输入下的弹塑性计算，研究本工程结构在强烈地震作用下的非线性动力响应，通过 分析结构楼层最大位移、最大层间位移、最大基底剪力等整体结构的弹塑性行为，以及结构加强层、结构顶层等关键部 进措施，同时对本工程结构中的薄弱部位进行了优化设计.
关键词：复杂高层建筑结构，动力弹塑性分析，性能优化设计 1工程概况 厦门裕景中心项目用地位于鹭江道与厦禾路交叉口西南侧，与 鼓浪屿隔海相望，是集SOHO、商场、五星酒店为一体的综合发展项 目.
总建筑面积220，626平方米（包括地上、地下），地上总建筑面积 为148 085平方米，地下4层主要功能分别为商业、地下车库和设备 用房，总埋深为17.4米.
地上一栋S0H0塔楼，48层，高210米（结 构高度200.6米）：一栋五星级酒店塔楼，18层，高88米（结构高度 77.9米）：商业裙房五层，高33.5米（结构高度28.4米）.
裙房和酒 店之间连桥一和连桥二.
结构抗侧力体系：厦门裕景SOHO塔楼为钢筋混凝土框架一核心 筒结构，属于超B级限高的高层建筑.
楼盖采用钢筋混凝土梁、板体 系.
上部结构嵌固部位取首层楼面.
剪力墙均为落地混凝土墙.
核心 图1.1结构抗侧力体系示意图 筒钢筋混凝土剪力墙厚度由首层到顶层从1000mm~600mm逐渐变化， 竖向构件钢筋混凝土强度等级由C60过渡到C50，.
本楼第L18、L34层为设备层/避难层，此层设置加强层， 在加强层内设置伸臂和环向腰桁架.
S0H0塔楼结构模型抗侧力体系见图1.1，主要抗震设计参数见表1.1. 表1.1厦门裕景SOHO塔楼抗震设计参数 抗震设防类别 抗震设防烈度 设计基本地震加速度值 设计地震分组 场地类比 场地特征周期 塔楼丙类 7度 0. 15g 第二组 II类 0. 40 秒 2结构弹塑性分析的目的 本工程为超限高层建筑结构.
依照《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）、《高层建筑混凝土结构技术 规程》（JGJ3-2010）及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建设部建质[2006]220号）的 耿娜娜(1973一)，女，硕士，工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 相关规定，本工程塔楼主体结构（核心筒）高200.6米，高度超过了《高规》中规定的B级最大适用高度 是180m，属于高度超限.
在建筑物高度上，本项目超限11%.
高宽比为200.6/34.2=5.91.2，属于扭转不规则.
通过弹塑性分析，拟达到以下目的： 1）对结构在设计大震作用下的非线性性能给出定量解答，研究本结构在强烈地震作用下的变形形态、 构件的塑性及其损伤情况，以及整体结构的弹塑性行为，具体的研究指标包括最大顶点位移、最大层间位 移及最大基底剪力等： 2）研究结构关键部位、关键构件的变形形态和破坏情况，重点考察的部位主要包括但不限于下列部 位：结构的加强部位、加强部位上下各1~2层的范围、结构的顶层等： 3）论证整体结构在设计大震作用下的抗震性能，寻找结构的薄弱层及薄弱部位： 4）根据以上研究成果，对结构的抗震性能给出评价，并对结构设计提出改进意见和建议.
3弹塑性时程分析方法 3.1分析软件考虑的非线性因素 本报告计算分析采用大型通用有限元分析软件一ABAQUS，钢筋混凝土梁柱单元采用了建研科技股份有 限公司自主开发的混凝土材料用户子程序进行模拟.
弹塑性分析过程中，以下非线性因素得到考虑： （1）几何非线性：结构的平衡方程建立在结构变形后的几何状态上，“P-A”效应，非线性屈曲效应， 大变形效应等都得到全面考虑： （2）材料非线性：直接采用材料非线性应力-应变本构关系模拟钢筋、钢材及混凝土的弹塑性特性， 可以有效模拟构件的弹塑性发生、发展以及破坏的全过程： （3）施工过程非线性：本结构为超高层钢筋混凝土结构，较为细致的施工模拟与结构的实际受力状态 更为接近，分析中按照整个工程的建造及加固过程，总共分为5个施工阶段，伸臂桁架后装，采用“单元 生死”技术进行模拟.
具体为：激活结构第L01层~第107层结构，加载并计算：激活结构第L08层第 18.5层结构，加载并计算：激活结构第L19层~第L34.5层结构，加载并计算：激活结构第L35层及以上 结构，加载并计算：激活伸臂桁架.
需要指出的是，上述非线性因素在计算分析开始时即被引入，且贯穿整个分析的全过程.
3.2计算分析模型的构建 在构建弹塑性分析模型的过程中，采用的方法及假定如下： 1)模型的几何信总：考虑到较为准确的弹塑性分析需要模型具有足够的网格密度等因素，针对结构模 型中的墙、楼板、梁柱等进行网格剖分.
网格剖分完成后，Abaqus模型单元共计98386个，其中剪力 墙及楼板壳单元共计70667个.
2)模型的材料参数：材料强度及应力应变关系等首先参照我国规范规定采用，对于规范无具体定义的 参数则根据公开发表的文献和我们对该问题的研究及工程应用经验确定.
3）楼板模拟：对于楼层采用弹性楼板（壳单元模拟）假定，并按照实际输入楼板厚度.
4）结构质量分布模拟：与弹性设计模型一致，直接将质量及荷载计入相应构件中.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 3.3结构阻尼 结构阻尼是结构动力学中的重要念.
在进行动力分析中，结构阻尼的模拟方法及取值的不同对结构 的动力响应有一定影响.
工程应用中，弹性分析中通常采用引入振型阻尼的方式加以考虑（即对于各振型 采用阻尼比）.
在进行动力弹塑性分析中，通常认为结构在构件出现塑性变形或损伤之前，结构初始阻 尼与弹性保持一致，而当结构构件发生塑性及损伤后的阻尼增大现象则由材料的非线性滞回性能自动计 入.
在本报告分析中结构初始阻尼采用的阻尼形式如下： c=ml M 式中：m：为结构质量矩阵；及依次为结构第n阶自振频率及相应阻尼比；中为结构振型矩阵.
上述形式为结构初始阻尼表达的一般形式，根据选取自振特性及参数的不同可以退化为瑞利阻尼形式，本 工程计算中选取了结构前40阶振型，累积振型质量参与系数90%以上，各振型阻尼比均为5%.
3.4地震输入的选择 根据《建筑抗震设计规范GB50011-2010》5.1.2条3款规定，采用设计单位提供的地震波记录，选波 情况如表3.1所示，三组波中结构基底剪力结果，X主向最小为反应谱法计算结果的75.1%（主波），Y主 向最小为反应谱法计算结果的77.3%（主波）：三组波结构基底剪力平均值X主向为反应谱结果的85.7%， Y主向为反应谱结果的90.0%，可知所选用地震波符合规范要求.
表3.1单向输入大震弹性时程分析与反应谱分析结构基底剪力（kN） X X向各波/反应谱 Y Y向各波/反应谱 反应谱 231950 223351 人工波x 237976 102.6% 241634 108. 2% 人工波y 213875 92. 2% 223750 100. 2% L0472 波 206956 89. 2% 209220 93. 7% L0473 波 214802 92. 6% 221427 99. 1% L2625 波 174258 75. 1% 172620 77. 3% L2623 波 144837 62. 4% 137583 61.6% 各主输入方向波均值 198784 85. 7% 201039 90. 0% 根据选出的三组（包含两方向分量）地震记录、采用主次方向输入法（即X、Y方向依次作为主次方 向，各组波主方向选与反应谱比值较大的人工波x、L0473波、L2625波为主方向）作为本次动力弹塑性分 析的输入，其中两方向输入峰值比依次为1：0.85（主方向：次方向），主方向波峰值取为310gal.
3.5地震分析工况 1）首先，对结构进行三组地震记录、双向输入并轮换输入主方向，共计6个工况的大震动力弹塑性分 析，重点考察弹性设计中对结构采取的性能设计部位的构件响应，给出其大震作用下的量化表达，并评估 其进入弹塑性的程度，进而给出设计改进建议： 构的薄弱部位，并给出设计改进建议.
4罕遇地震作用下结构弹塑性分析结果 4.1基本频率分析
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 计算模型是进行大震时程反应的基础，因此，在大震弹塑性时程分析之前，首先进行了Sap模型的模 态分析，以及ABAQUS模型的模态分析，用来校核模型从Sap转换到ABAQUS的准确程度.
表4.1为经过细 分网格后ABAQUS模型计算的结构主要信息，并与Sap计算结果的对比.
Sap模型质量为200790ton，ABAQUS 的模型质量为200958ton.
通过对比Sap模型与Abaqus模型可知，结构总质量与周期产生差别的原因主要 在于：Abaqus模型中单独考虑了钢筋的质量和刚度.
ABAQUS 模型中第一阶扭转振型的周期与第一阶水平 振动周期之比为2.981/4.643=0.642，满足《高规》3.4.5中，比值不超过0.85的规定.
表4.1Sap模型与Abaqus模型计算结果比较 Sap ABAQUS 结构总质量（重力荷裁代表值：吨） 200790 200958 T1（s，Y方向一阶平动） 4. 679 4. 643 T2（s，X方向一阶平动） 3. 912 3.742 T3（s 一阶扭转) 3. 131 2.981 T4（s，Y方向二阶平动） 1. 252 1. 194 T5（s，X方向二阶平动） 1. 196 1. 139 T6 (s 二阶扭转） 1. 105 1. 052 4.2罕遇地震作用下基底剪力 表4.2给出了基底剪力峰值及剪重比统计结果，三组波、6种工况输入下，结构地震反应剪重比约为 6.07%~9.26%.
表4.2大震时程分析底部剪力对比 X为输入主方向 Y为输入主方向 Vx (kN) 剪重比 Vy (kN) 剪重比 人工波 182300 9.26% 156200 7.93% L0473 173300 8. 80% 159800 8. 11% L2625 119600 6. 07% 140500 7.13% 包络值 182300 9. 26% 159800 8. 11% 4.3罕遇地震作用下，楼层位移及层间位移角响应 B 图4.1L01~L47层结构位移参考点示意图 图4.2机房层~停机坪层结构位移参考点示意图 如图4.1、4.2所示，在每层周边框柱位置取四个参考点A、B、C、D，结果整理过程中根据各点位移 的时程输出求得层间位移以及最大层间位移角等数据.
需要说明的是由于计算工况较多，以下结果仅给出 四个参考点的最大值以及人工波作用下四个参考点的层位移及层间位移角分布情况.
表4.3汇总了取四个 参考点的最大值时，三组波分别取X、Y方向为主方向时的结构位移结果.
X为输入主方向时，楼顶最大位 移为575mm，楼层最大层间位移角为1/194，在第L32层：Y为主输入方向时，楼顶最大位移为762mm，楼 层最大层间位移角为1/156，在第L47层.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 表4.3大震弹塑性分析结构顶点最大位移及最大层间位移角统计 人工波 L0473 波 L2625 波 包络值 顶点最大位移（n） 0.57543 0 52256 0. 42999 0. 57543 输入主方向 0. 00496 0. 00515 0. 00379 0. 00515 最大层间位移角及对应楼层 1/202 1/194 1/264 1/194 1.32 L32 L47 L32 顶点最大位移（） 0.7622 0. 56526 0. 65108 0. 7622 输入主方向 0. 00642 0. 00547 0. 00-192 0. 00642 最大层间位移角及对应楼层 1/156 1/183 1/203 1/156 L47 L32 L32 L.47 0. 4 0.90 1. 1: 0. 84 4 096 0.084 9. 11 0. 800 0.802 0. 684 81.686 1.068 0.01 图4.3人工波作用下四个参考点最大位移及层间位移角响应 图4.3为四个参考点在人工波作用下的最大位移和层间位移角响应.
可以看到，在人工波作用下，X 为输入主方向，A、B、C、D点的位移结果基本一致：Y为输入主方向时，各点位移有一定差别，结构具有 一定的扭转效应.
Y为主方向输入时，机房层外侧柱子部分屈服，由于机房层~停机坪层选取墙上节点为参 考点，导致A、B列参考点楼层位移和楼层位移角出现突变.
4.4罕遇地震作用下，结构损伤状态 4.4.1境的损伤破坏情况 受压损伤因子 受压应力 0 002 0. 004 0.006 800“ 0 010 混减土压应变 图4.4剪力墙主要受力墙股编号示意图图 图4.5剪力墙混凝土压应力一应变关系和受压损伤因子一应变关系
