學(xué)術(shù)科研丨蘇州環(huán)貿(mào)廣場(chǎng)大震性能數(shù)值仿真分析與優(yōu)化
5月17日，位于蘇州工業(yè)園區(qū)的蘇州環(huán)貿(mào)廣場(chǎng)ICC順利完成封頂，該項(xiàng)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(mào)廣場(chǎng)ICC由高310米綜合樓、4F裙樓和花園廣場(chǎng)組成，規(guī)劃有購(gòu)物中心、超甲級(jí)辦公樓以及高端住宅。
該項(xiàng)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(jié)構(gòu)體系，為超B級(jí)高度且平面和豎向均不規(guī)則的超限高層。
項(xiàng)目由中衡設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司作為主體單位完成設(shè)計(jì)，其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還包括顧問(wèn)單位東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院和ARUP奧雅納工程咨詢有限公司，此外中衡設(shè)計(jì)集團(tuán)針對(duì)結(jié)構(gòu)大震性能完成結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析驗(yàn)證，并基于此完成相關(guān)優(yōu)化工作。（相關(guān)內(nèi)容可見(jiàn)中衡設(shè)計(jì)集團(tuán)發(fā)表于《建筑結(jié)構(gòu)》（2019，49（01））的論文《蘇州環(huán)貿(mào)廣場(chǎng)塔樓結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析》和《阻尼在結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算中的理解與應(yīng)用》）
關(guān)于結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析驗(yàn)證
地震引起的自然災(zāi)害具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和復(fù)雜性，災(zāi)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(jì)損失和社會(huì)影響，因此，為滿足建筑結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)方法開(kāi)始逐步發(fā)展并得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而通過(guò)動(dòng)力彈塑性分析方法驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在大震下的性能表現(xiàn)，包括屈服機(jī)制、損傷和變形程度等，是性能化設(shè)計(jì)中的必要工作。
結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析驗(yàn)證可理解為一種“數(shù)字振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)”，可在一定程度上仿真結(jié)構(gòu)在地震波作用時(shí)間下的過(guò)程反應(yīng)，如層間位移角峰值及其出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)，塑性鉸出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)、順序和塑性轉(zhuǎn)角的發(fā)展等，以及地震波結(jié)束后時(shí)段內(nèi)結(jié)構(gòu)通過(guò)自由振動(dòng)過(guò)程恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)不可恢復(fù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的理解與應(yīng)用》 （張謹(jǐn)，楊律磊 等編著，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016）
項(xiàng)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(shè)抗震縫脫開(kāi)，裙樓為4層框架結(jié)構(gòu)。塔樓建筑總高度為309.85m，結(jié)構(gòu)主屋面標(biāo)高為298.05m，為采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系的超B級(jí)高度高層建筑，地下4層，地上67層；在39層通過(guò)設(shè)置轉(zhuǎn)換梁轉(zhuǎn)換少量電梯井道周邊內(nèi)墻，使酒店式公寓部分核心筒內(nèi)結(jié)構(gòu)布置相對(duì)簡(jiǎn)單；在43層電梯控制柜機(jī)房層布置轉(zhuǎn)換梁轉(zhuǎn)換上部電梯井道剪力墻。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限均為50年。結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類（乙類），抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，結(jié)構(gòu)計(jì)算的嵌固層設(shè)在地下室頂板。采用PERFORM-3D軟件針對(duì)塔樓結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析與結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估，建筑效果圖見(jiàn)圖1。
圖1
結(jié)構(gòu)體系與彈塑性模型
結(jié)構(gòu)體系
塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)平面尺寸為49.4m×53.7m，標(biāo)準(zhǔn)層平面圖見(jiàn)圖2，結(jié)構(gòu)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)墻厚度由下到上由1000mm減小至400mm。
結(jié)構(gòu)彈塑性模型
構(gòu)建采用PERRORM-3D軟件，采用自主研發(fā)的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口ARTS-Y2P，可將YJK彈性模型配筋信息轉(zhuǎn)換為PERFORM-3D非線性模型，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(duì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)阻尼采用瑞雷阻尼模型來(lái)模擬，設(shè)定0.25倍與1.25倍結(jié)構(gòu)第1階周期T1所對(duì)應(yīng)的阻尼比為5%。
性能目標(biāo)與評(píng)價(jià)指標(biāo)
綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等各項(xiàng)因素，設(shè)定結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)為C，D。根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要程度不同，結(jié)合結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)見(jiàn)表1。
| 抗震烈度水準(zhǔn) | 多遇地震 | 設(shè)防地震 | 罕遇地震 |
| 整體變形控制目標(biāo) | 1 /500 | — | 1/100 |
| 核心筒底部加強(qiáng)區(qū)， 底部加強(qiáng)區(qū)框架柱， 支承托墻梁端柱 |
彈性 |
抗剪彈性，
抗彎不屈服 |
滿足截面
受剪要求 |
| 核心筒非底部加強(qiáng)區(qū)， 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(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)
基于抗震性能目標(biāo)設(shè)定不同性能狀態(tài)對(duì)應(yīng)的構(gòu)件塑性轉(zhuǎn)角限值（表2），同時(shí)在分析模型中設(shè)定構(gòu)件材料應(yīng)變限值（表3）。
| 構(gòu)件類別 | 輕度損傷 | 中度損傷 | 重度損傷 | 本文限值 |
| ＲC 轉(zhuǎn)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(gòu)件類型 | 混凝土壓應(yīng)變 | 鋼筋拉應(yīng)變 |
| 墻 ＲC 柱 SＲC 柱 |
0. 003 | 0. 004 |
| 轉(zhuǎn)換梁 轉(zhuǎn)換梁端柱 |
0. 002 | 0. 002 |
表3 材料應(yīng)變限值
模型一致性校核
為保證非線性結(jié)構(gòu)模型能正確反映結(jié)構(gòu)特性，在進(jìn)行非線性分析之前，比較了基于PERFORM-3D模型與基于YJK模型的基本周期和振型，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4，結(jié)構(gòu)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(biāo)
圖6 結(jié)構(gòu)前3階振型
彈塑性時(shí)程分析結(jié)果
圖7給出了結(jié)構(gòu)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，分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移由2.5m減小為1.0m。
圖7 NW1波作用下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線
圖8為罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)能量時(shí)程分布，結(jié)果表明，阻尼耗能與塑性耗能是結(jié)構(gòu)的主要耗能形式，阻尼耗能與塑性耗能相當(dāng)。圖10為構(gòu)件層面的塑性損傷狀態(tài)，結(jié)果表明損傷狀態(tài)均滿足性能目標(biāo)要求。圖11為39層和43層轉(zhuǎn)換層中轉(zhuǎn)換梁的彎曲塑性轉(zhuǎn)角計(jì)算結(jié)果，圖中1.0代表塑性轉(zhuǎn)角達(dá)到限值0.002（輕度損傷），結(jié)果表明轉(zhuǎn)換梁塑性轉(zhuǎn)角都在限值范圍內(nèi)。
圖8 層間位移角計(jì)算結(jié)果
圖9 結(jié)構(gòu)能量分布
圖10 構(gòu)件塑性損傷狀態(tài)
托墻轉(zhuǎn)換梁的抗震等級(jí)為特一級(jí)，為準(zhǔn)確模擬其力學(xué)特性，基于Midas Gen軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換構(gòu)件的應(yīng)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(jù)，同時(shí)也為施工圖設(shè)計(jì)中采取的抗震構(gòu)造措施提供參考。轉(zhuǎn)換梁采用殼單元模擬，圖11所示為Midas Gen分析結(jié)果基本呈現(xiàn)為梁下部承受拉應(yīng)力，上部及梁端出現(xiàn)壓應(yīng)力。
圖11 某轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力分布
根據(jù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換梁截面上部截面寬度，下部截面保持不變， 以保證轉(zhuǎn)換梁減小截面的同時(shí)仍能夠承受較大的拉力。
圖12轉(zhuǎn)換梁截面調(diào)整方式
圖13所示轉(zhuǎn)換梁抗震性能表明，減小截面后的轉(zhuǎn)換梁仍具有較好的抗震性能，滿足預(yù)設(shè)性能目標(biāo)，且與優(yōu)化前塑性損傷狀態(tài)基本一致。
圖13 優(yōu)化設(shè)計(jì)前后轉(zhuǎn)換梁塑性轉(zhuǎn)角
與SAUSAGE軟件分析結(jié)果的對(duì)比
結(jié)構(gòu)顧問(wèn)單位采用了SAUSAGE軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性分析，因此中衡設(shè)計(jì)對(duì)PERFORM-3D軟件和SAUSAGE軟件的分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究。
結(jié)構(gòu)體系與彈塑性模型
頂點(diǎn)位移曲線
圖14為兩個(gè)軟件計(jì)算出的AW波X主向輸入下外框柱頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線。PERFORM-3D計(jì)算出時(shí)程曲線與SAUSAGE的形狀較為一致，且兩個(gè)軟件計(jì)算的時(shí)程曲線峰值點(diǎn)出現(xiàn)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
核心筒損傷
圖15為兩個(gè)軟件計(jì)算出的核心筒損傷分布。由圖可知，PERFORM-3D與SAUSAGE計(jì)算出的核心筒損傷分布趨勢(shì)較為一致，PERFORM-3D計(jì)算出非底部加強(qiáng)區(qū)局部損傷程度要低于SAUSAGE結(jié)果。
圖15 核心筒損傷分布圖
對(duì)比分析
對(duì)兩個(gè)軟件的力學(xué)模型和分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，產(chǎn)生不同結(jié)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(yīng)力不大于2倍抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，構(gòu)件模擬考慮了附加型鋼作用，且邊緣構(gòu)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(qū)域損傷較SAUSAGE模型略輕，同時(shí)可說(shuō)明此區(qū)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(jì)算方法；PERFORM-3D模型采用了瑞雷阻尼計(jì)算方法。由于瑞雷阻尼的高階振型對(duì)應(yīng)的阻尼比要高于5%，因此采用瑞雷阻尼計(jì)算結(jié)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(gòu)不一致。在SAUSAGE模型中，鋼材和混凝土材料的本構(gòu)模型中應(yīng)用了標(biāo)準(zhǔn)值；在PERFORM-3D模型中，為了充分挖掘結(jié)構(gòu)性能儲(chǔ)備，鋼材的本構(gòu)模型應(yīng)用了極限值，柱箍筋范圍內(nèi)的混凝土本構(gòu)模型采用了約束混凝土理論（峰值應(yīng)力、應(yīng)變均有所提高）；因此PERFORM-3D模型計(jì)算的豎向構(gòu)件塑性損傷會(huì)比SAUSAGE模型小，但結(jié)構(gòu)的塑性損傷會(huì)更加集中在水平構(gòu)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(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)。
圖17 單元模型
基于TBI的動(dòng)力彈塑性分析
計(jì)算參數(shù)設(shè)置
《基于性能的高層建筑抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》（Guidelines for performance-based seismic design of tall buildings，簡(jiǎn)稱TBI）由加州大學(xué)伯克利校區(qū)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(shè)計(jì)方法的框架，代表了目前較為先進(jìn)的性能化設(shè)計(jì)水平。項(xiàng)目中基于此設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，完成了動(dòng)力彈塑性分析，其與國(guó)內(nèi)已有方法有較多不同，包括初始阻尼比調(diào)整為2.5%，活荷載重力代表值系數(shù)調(diào)整為0.25。
根據(jù)前述結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果，選取引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大的AW波進(jìn)行分析。
頂點(diǎn)位移曲線
圖18為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線，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(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線
層間位移角曲線
圖19為結(jié)構(gòu)層間位移角分析結(jié)果，X向?qū)娱g位移角最大值為1/115，Y向?yàn)?/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(jié)構(gòu)抗震性能滿足TBI要求。
圖19 結(jié)構(gòu)層間位移角曲線
結(jié)論
1）罕遇地震作用下，彈塑性模型的結(jié)構(gòu)周期約為彈性模型的1.21倍。
2）在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)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，均滿足規(guī)范小于1/100的要求。
3）結(jié)構(gòu)能量分布時(shí)程表明，阻尼耗能與塑性耗能是結(jié)構(gòu)的主要耗能形式，阻尼耗能與塑性耗能相當(dāng)，塑性開(kāi)展程度基本接近中等程度。
4）構(gòu)件層面的塑性損傷狀態(tài)表明，連梁作為結(jié)構(gòu)抗震第一道防線，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(dá)到耗能設(shè)計(jì)意圖，其屈服耗能有效地保護(hù)了主體墻肢不被嚴(yán)重?fù)p壞；樓面梁處于輕度或中度損壞狀態(tài)，底部區(qū)域柱與上部區(qū)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(jié)構(gòu)的整體性依然保持較好。
5）轉(zhuǎn)換梁經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后彈塑性分析得到的彎曲塑性轉(zhuǎn)角仍滿足性能目標(biāo)要求。
6）構(gòu)件設(shè)計(jì)階段，針對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)采取加強(qiáng)措施，以期進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)抗震性能。
7）PERFORM-3D模型與SAUSAGE模型的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移曲線、塑性損傷分布等宏觀分析結(jié)果較為一致，能夠互相驗(yàn)證。
8）結(jié)構(gòu)抗震性能滿足TBI要求。
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