第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 珠海横琴发展大厦动力弹塑性对比分析 金晶，区彤，谭坚，张连飞 （广东省建筑设计研究院，广州510370） 提要：以珠海横琴发展大厦为研究对象，采用MIDAS/GEN和ABAQLS两种有限元分析软件，建立三维非线性结构模型，对这 种带巨型转换桁架-钢框架-支撑筒的非常规结构体系，进行罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析.
验证其在大震作用下的抗 震性能是否满足预定的抗震性能目标：同时，研究结构中关键构件的塑性损伤和屈服程度，并做出性能评价.
分析对比的结 果表明：塑性铰的分布和结构塑性损伤较少，受力性能良好，弹塑性反应及破坏机制符合抗震概念设计要求，结构满足大震 下的抗震性能设计目标.
关键词：超限高层：罕遇地震：动力弹塑性时程分析：塑性损伤 1工程概述及结构体系 横琴发展大厦位于珠海市横琴岛，横琴发展大厦一期主楼建筑高度100m，建筑平面尺寸约 100mx100m，结构地下2层，地上18层，见图1.
图1横琴发展大厦 图2横琴发展大厦结构模型 建筑主楼平面为回字形，尺寸为100mx100m，长宽比L/B=1，主楼采用4个L形支撑筒形成竖向支撑 体系，L形支撑筒尺寸为18mx18m，支撑筒之间结构跨度33.6m，支撑筒两端结构悬挑约12.5m.为大跨度、 大悬臂钢结构.
结构高宽比为100/69.6=1.44.
经结构方案优化和比选，最终选择带巨型转换桁架-钢框架- 支撑筒结构，见图2.
支撑筒采用方钢混凝土柱钢支撑，其中部分钢支撑采用防屈曲支撑：结构架空层上部楼层设置两层 高巨型钢转换桁架层，桁架高度10m，并采用拉索提高巨型桁架刚度：巨型桁架层支撑上部标准楼层，标 准楼层采用钢梁钢柱的钢框架形式.
2抗震性能设计 2.1抗震性能设计目标 工程抗震设防烈度为7度，IⅢl类场地，设计地震分组为第1组，设计基本地震加速度值为0.1g，特征 周期0.45s，安评提供特征周期为0.48s，抗震设防分类为标准设防类：基本风压值0.85kPa.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 结构形式为巨型转换桁架-钢框架-支撑筒结构体系，不属于规范所列常规结构形式，针对本结构的特点 及超限情况，依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第3.10节“建筑抗震性能设计"的要求进行设 计，总体按性能3的要求设计 2.2动力弹塑性时程分析软件 该工程使用两个有限元软件进行弹塑性时程分析，分别是：建筑结构通用有限元分析与设计软件 MIDAS/GEN和通用非线性有限元分析软件ABAQUS.
在结构设计方面，MIDAS/GEN全面强化了实际工 作中结构分析所需要的功能，在已有的有限元库中加入索单元、间隙单元等非线性单元，更好地在动力弹 塑性分析时还原了结构的真实性：ABAQUS作为通用有限元软件，具有丰富的单元库和模型库，以及强大 的非线性分析能力，在各个领域都有广泛的应用.
2.3结构抗震性能评价指标 结构总体抗震性能的评价从弹塑性层间位移角、结构顶部位移曲线及底部剪力时程曲线与结构损伤的 过程和损伤区域等几方面进行对比分析：结构构件的评价从构件的塑性变形与塑性变形限制值的大小关 系、关键部位构件的塑性变形等方面进行分析.
在MIDAS/GEN模型以塑性铰的状态来描述构件的破坏状 态，见表1：ABAQUS中以混凝土的受压损伤因子及钢材的塑性应变程度作为构件破坏评定标准23.
表1MIDAS塑性铰级别与破坏极限状态定性描述对应关系 塑性铰级别 构件各个破坏极限状态定性描述 无塑性钦 保持弹性：构件尚未发生屈服或屈曲，无结构性破坏 Levell (D/D2=0.5) 可继续使用：构件只受到轻微破坏，地震过后无需修复即可使用 Level2 可继续使用：构件受到一定破坏，地震过后进行一定修复即可继 (D/D2=1) 续使用 Level 3 生命安全：构件受到显著破坏但尚能确保生命安全，可修复继续 (D/D2=2) 使用但修复不一定经济 Level 4 临界倒場：构件受到严重破坏即将出现或已经出现强度退化，已 (D/D2=4) 不可修复使用，但构件尚能承受自重所产生的荷载而避免倒塌 Level 5 (D/D2=8) 构件失效 3动力弹塑性模型 本工程结构弹性分析采用MIDAS/GEN模型与ABAQUS转换模型进行罕遇地震作用结构弹性计算结果 进行对比.
3.1构件模拟 MIDAS/GEN结构构件的塑性损伤采用塑性较来模拟：ABAQUS中以混凝土的受压损伤因子及钢材的 塑性应变程度作为构件破坏评定标准.
结构上部主体结构为钢结构，MIDAS/GEN对梁柱斜撑等构件采用 集中较模型，预应力索采用桁架单元，其它构件采用梁单元.
（1）钢管混凝土柱 根据性能目标，在MIDAS/GEN的模型中，钢管混凝土柱设置PMM较，滞回模型采用Kinematichardening （随动强化型）：在ABAQUS中采用梁单元B31.
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第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 (2) 钢梁、钢柱、钢支撑 在MIDAS/GEN的模型中，钢梁两端设置MM塑性铰，钢柱设置PMM铰，桁架层弦杆和腹杆设置PMM 较，滞回模型采用Kinematichardening：支撑筒普通钢支撑设置轴力P较，滞回模型采用拉压不对称的Normal BilinearType（标准双折线），防屈曲支撑（BRB）设置轴力P较，滞回模型采用拉压对称的Normal Bilinear Type（标准双折线）.
在ABAQUS模型中，梁、柱、桁架弦杆采用梁单元B31，桁架腹杆采用桁架单元T2D3，预应力索采用 梁单元B31加两端铰接和施加初始预应力的方法模拟，钢材采用等向强化二折线模型和Mises屈服准则，其 中强化段的强化系数取0.01.
(3）混凝土梁柱 在MIDAS/GEN的模型中混凝土梁设置MM塑性铰，混凝土柱设置PMM铰，滞回模型采用混凝土结构 常用的CloughType滞回模型.
ABAQUS模型采用《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）附录C提供 的受拉、受压应力-应变关系作为混凝土滞回曲线的骨架线，加上损伤系数（dc，dt）构成了一条完整的混 凝土拉压滞回曲线.
（4）楼板 在MIDAS/GEN的模型中，楼板罕遇地震作用下采用膜单元，不考虑平面外刚度：ABAQUS有限元软 件的楼板采用壳单元S4R，混凝土构件配筋采用MIDAS的计算结果.
3.2质量 MIDAS模型总质量为195023t，ABAQUS模型总质量为199053t.
3.3阻尼比 根据GB50011-2010和高层民用建筑钢结构技术规程，在MIDAS/GEN模型和ABAQUS模型中，大震 时阻尼比均取0.05.
3.4地震波输入 采用隔震和消能减震设计的结构应进行弹塑性变形验算，采用弹塑性时程分析方法，直接模拟结构 在地震力作用下的非线性反应.
根据本项目的特点，罕遇地震作用下的时程分析采用安评单位提供的天然 波一（Landers）、天然波二（ChiCHi）和人工波进行动力弹塑性时程分析.
地震波计算持时分别是20s和30s，两个过程均包括了地震波的峰值加速度，并采用两种输入方式：1） 三向同时输入：在分析中，重力荷载的施加与地震波的输入分两步进行：第一步，施加重力荷载（1.0恒载 0.5活载1.0预应力）：第二步，施加地震作用，按三向地震作用计算，主方向加速度幅值为220gal，主次 方向与竖向加速度峰值比为1：0.85：0.65：2）仅竖向输入.
三向输入时罕遇地震条件下水平向PGA调整 为220gal，竖向调整为143gal（仅输入竖向地震时为220gal）.
人工波和天然波如图3~5所示.
ATt 8. 时R G) 时间0 Landers-N ChiChi-N 图3第一组天然波（Landers) 图4第二组天然波（ChiChi122) 图5人工波 4罕遇地震动力弹塑性分析 4.1动力特性 用MIDAS计算的结构模型的前3周期为：TI=1.911 T2=1.904 T3=1.614，ABAQUS计算前3阶周期为： 3
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 T1=1.980 T2=1.957 T3=1.761，两种软件主要计算结果基本一致，说明计算模型正确、可信，满足精度要求.
(a)MIDAS 模型Y向第一振型 (b）ABAQUS模型Y向第一振型 图6MIDAS与ABAQUS模型Y向第一振型对比 4.2罕遇地震下的整体结构反应指标 以90°主方向计算为例，ABAQUS与MIDAS/GEN弹塑性计算主要结果对比见表2，该指标反映了结构 进入弹塑性状态的程度，且两种软件计算结果吻合较好.
表2ABAQUS与MIDAS/GEN计算结果对比 地震波 计算软件 90°主方向 90°主方向顶点最 90主方向最大层间 最大基底剪力与 最大基底剪力(kN) 大位移（mm） 位移角 CQC 比值 第一组天然波 ABAQUS 278997 249 1/193 (12F) 5.9 (Landers) MIDAS/GEN 316100 408 1/103 (10F) 6.7 第二组天然波 ABAQUS 292266 392 1/132 (8F) 6.2 (ChiCHi) MIDAS/GEN 251600 335 1/119 (9F) 5.34 人工波 ABAQUS 322099 411 1/121 (8F) 6.83 MIDAS/GEN 294249 366 1/117 (10F) 6.25 4.390度主方向人工波激励下的基底剪力、拉索内力与顶点位移时程对比 罕遇地震作用下，以人工波为例，结构在人工波90度主方向下的反应最大，用两个有限元分析软件 （MIDAS、ABAQUS）沿着90度方向为主方向（Y向）对结构输入三向地震波，对比其基底剪力与顶点位 移时程.
40000 30000 200000 INRC NY) 300000 时间() 400600 时间（s） 90度 图7MIDAS模型人工波90度主方向20s基底剪力 图8ABAQUS 模型人工波90度主方向30s基底剪力 （0度向最大基底剪力：244197kN， (0度方向最大剪力：236543kN， 90度向最大基底剪力：294300kN） 90度方向最大剪力：322099kN) 在三向波作用下，索内力均小于索的破断力34198kN，其中ABAQUS模型计算的拉索内力最大值为 19834kN，MIDAS模型计算的拉索内力最大值为18943kN，两种软件的计算结果接近，提取下图所示位置 4
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 的索的内力时程如下（图9~12）： （N） 2000 时间（s） 10 15 图9ABAQUS模型人工波90度主方向拉索1内力 图10MIDAS模型人工波90度主方向拉索1内力 （最大值9545kN） （最大值10172kN） 00052 w/wn 1000 5000 D (9) 时间（s) 10 15 图11ABAQUS模型人工波90度主方向拉索2内力 图12MIDAS模型人工波90度主方向拉索2内力 （最大值 19834kN) （最大值18943 kN) 400 （） AA 100 -00 209 300 时间（s） 图13ABAQUS模型人工波90度主方向0度向30s顶点 图14 MIDAS模型人工波90度主方向0度向20s顶点 水平位移曲线（0度方向最大值：367mm) 水平位移曲线（0度方向最大值：314mm） Y向水平位移 500 400 300 (wuu) 200 向水平位移（ 100 40 狗 200 -500 时间（s） -300 40 -500 图15ABAQUS模型人工波90度主方向90度向30s顶点 图16MIDAS模型人工波90度主方向90度向20s顶点 水平位移（90度方向最大值：411mm） 水平位移（90度方向最大值：372mm） 4.4结构破坏形态和塑性损伤 结构在人工波90度主方向下的反应最大，为节约篇幅，仅列出人工波90度主方向下的塑性损伤情况.
（1）支撑筒柱塑性损伤情况
