合肥華潤中心動力彈塑性分析

邵建偉

(香港華藝設計顧問(深圳)有限公司，廣東深圳 518031)

1 工程概況

合肥華潤中心項目是一個綜合商業辦公建筑群，占地60 419 m2。擴大地下室共3層，長278m，寬206m，埋深約15.4m。地上裙房6層，西面2號塔樓地上44層，結構高度 178.6 m，建筑面積85 268.3 m2。東面1號塔樓地上56層，結構高度250 m，建筑面積126 352.9 m2。結構設計基準期為50年，抗震設防烈度7度，基本地震加速度為0.10g，場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第一組，抗震設防類別裙房頂層以下為乙類，裙房以上為丙類。

本結構特點:

1)1號塔樓為超過規范規定B級高度復雜高層結構，2號塔樓為超過規范規定A級高度復雜高層結構;

2)2號塔樓在22層和36層位置下部部分核心筒結構墻轉換成上部框架柱;1號塔樓在40層下部部分核心筒結構墻轉換成上部框架柱;

3)1號塔樓1層～37層層高4.2 m(與裙房相連的幾層及設備層除外)，41層以上標準層層高3.6 m，中間38層～40層層高7 m用于酒店大堂，41層樓層核心筒外無樓板導致部分框架柱一個方向計算長度為14 m。

2 結構彈塑性模型建立

本次動力彈塑性時程分析采用Computer and Structures，Inc的三維非線性結構分析軟件Perform3D，通過地震反應后抗震“能力”與地震目標性能“需求”的比較來判斷結構是否滿足結構抗震性能目標的要求。在本結構的彈塑性分析過程中，考慮了幾何非線性及材料非線性的影響。

1)材料本構。

Perform3D模型中采用雙線性隨動強化模型模擬鋼筋和鋼材，混凝土材料軸心抗壓強度標準值按《混凝土結構設計規范》表4.1.3取值，不考慮混凝土的受拉承載力。保守考慮，不考慮混凝土截面內橫向箍筋的約束效應，采用規范建議的素混凝土參數。

2)結構單元選取。

本工程分析中，利用纖維墻元模擬剪力墻、在桿單元設置集中塑性鉸來模擬框架柱、連梁和框架梁的工作性能。剪力墻墻元混凝土纖維被分成6根纖維單元，分布鋼筋被分成3根纖維單元，分布鋼筋的面積通過配筋率來考慮。本結構底部采用了型鋼混凝土柱，上部采用混凝土柱，柱構件的PMM塑性鉸屬性通過CSICol截面設計器計算所得，配筋根據小震和中震計算結果中配筋較大值計算得到。通過在框架柱端部設置PMM鉸，可以準確模擬去柱受彎屈服工作性能。采用SAP2000截面設計器計算截面的彎矩曲率屬性，然后輸入Perform3D中進行桿件塑性鉸屬性定義，即分別在梁的兩端設置彎矩鉸和梁中部設置剪切鉸。框架梁主要考慮主軸M鉸，根據上述方法得到彎矩曲率屬性后在梁兩端設置彎矩鉸。

3)性能水準及檢驗標準。

ATC-40將所有構件的力—位移模型歸納為四個階段，即彈性段(AB)、強化段(BC)、卸載段(CD)、破壞段(DE)。混凝土構件的性能點IO，LS，CP對應的彈塑性位移(橫坐標)和力(縱坐標)的限值均來自ATC-40。本次分析以結構強度和變形能力小于規定的CP狀態為目標，結構變形能力參考最新的中國規范和ASCE41-06，分別設置各類結構構件從IO狀態到CP狀態各階段的性能水準。

4)地震波工況輸入。

重力荷載工況與地震波的輸入分兩步進行:a.激活P-Δ按鈕，施加重力荷載代表值;b.輸入地震波時，依次選取結構X向或Y向作為主方向，另一個為次方向，分別輸入三組地震波的兩個分量記錄進行計算。結構阻尼比取0.05，峰值按GB 50011-2010建筑抗震設計規范的規定取220 gal。主方向和次方向輸入地震峰值按1∶0.85 進行調整。

3 動力彈塑性分析結果

3.1 模型校核

在Perform3D中包含了所有主要的抗側力構件如核心筒、連梁、型鋼柱和框架鋼梁。在非線性分析之前，比較了Perform3D，Etabs以及Satwe模型的荷載、質量、基本周期和振型。各程序的計算結果均比較接近，誤差在工程允許的范圍內，如表1所示。

表1 Satwe，Etabs，Perform3D 計算模型校核

3.2 剪力比較

由表2可以看出，罕遇地震作用下結構的基底剪力約為多遇地震工況的5倍～6倍，結構基底剪力在一個比較合理的水平，表明結構的剛度配置比較合理。在罕遇地震作用下結構的剛度存在一定的退化，但退化程度不會導致結構基底剪力相應減小。

表2 罕遇地震作用下基底剪力對比

3.3 變形分析

表3 罕遇地震作用下結構變形情況對比

由表3可以看出，1號塔樓最大頂點位移為1 322mm，約為全樓高度的1/189，而2號塔樓最大頂點位移為834 mm，約為全樓高度的1/213，由此可以看出結構具有較好的彈塑性變形能力。兩個塔樓的最大層間位移角均小于1/100，滿足規范要求，結構沒有產生較大的彈塑性變形，在罕遇地震作用下結構不會發生脆性坍塌破壞。

3.4 結構損傷情況

罕遇地震作用下結構的彈塑性時程響應歷程如下:1)結構在地震發生的最初一段時間內表現為彈性;2)中部部分連梁開始發生塑性轉動;3)部分樓面梁出現屈服，大部分連梁出現塑性轉動;4)中部墻柱轉換位置框架柱出現塑性轉動，核心筒頂部少量墻體受拉開裂;5)底部核心筒墻體以及中部墻柱轉換位置剪力墻局部開裂;6)頂部少數柱出現受拉損傷，多數柱保持彈性;7)大部分連梁塑性進入屈服狀態;8)墻體開裂進一步發展，底部約束區墻體部分鋼筋屈服。下面將列舉部分計算結果來反映在罕遇地震作用下結構關鍵構件受力狀態。

從圖1可以看出，剪力墻混凝土受拉開裂發展較為均勻，剪力墻受力較大的位置在結構底部、結構墻柱轉換位置、中部酒店大堂附近樓層及結構頂部;整體鋼筋應力不大，只有底部少量墻體以及中上部酒店大堂附近樓層鋼筋受拉屈服，總體來說，核心筒墻體基本不出現受壓損傷和剪切破壞，核心筒墻體滿足性能水準目標。

結構中部部分剪力墻出現無損傷主要原因在于該位置剪力墻厚度從下部700 mm變化到400 mm，而且下面3層還設置部分型鋼(結構層高從7 m變化到4.6 m，為了滿足規范規定的樓層剛度比要求而設置)，該位置下部墻比上部墻剛度較大。另外，結構中部墻柱轉換位置是設計的關鍵部分，轉換的剪力墻均出現少量的受拉屈服和受剪屈服，應加強該部分的抗震構造措施。

從圖2可以看出，塔樓頂層部分柱構件由于軸壓力較小，會出現受拉屈服，但拉應力相對較小，構件塑性發展程度較輕，只進入LS階段;在中部酒店大堂樓層以上兩層，由于層高、柱截面變化以及柱內型鋼取消，部分框架柱進入CP狀態;結構中部墻柱轉換位置，隨著大部分連梁和框架梁出現塑性轉動，該位置的框架柱比其他位置較早地出現塑性轉動，但塑性發展較輕，該位置框架柱沒有進入CP狀態。設計時應注意樓層剛度變化對框架柱受力的影響，加強配筋。

圖1 1號塔樓X向場地波—作用下X向剪力墻塑性發展歷程

圖2 1號塔樓X向場地波一作用下框架柱塑性發展情況

4 結語

通過對合肥華潤中心兩個塔樓的Perform-3D動力彈塑性時程分析，可以得到以下結論:

1)用于抗震性能化設計的彈塑性Perform-3D模型與小震彈性模型比較吻合，Perform3D彈塑性模型能夠比較準確的模擬結構在罕遇地震作用下的工作性能。

2)塔樓結構構件在大震作用下大多處于IO階段，多數連梁能進入彈塑性階段耗散地震能量，主要抗側力構件均沒有出現脆性破壞，結構的整體性能滿足防止倒塌(CP)的要求，達到設定的抗震性能目標。

3)結構最大層間位移角滿足1/100的限值，結構滿足“大震不倒”的設防要求。

［1］ GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［2］ 楊先橋.深圳平安金融中心塔樓動力彈塑性分析［J］.建筑結構學報，2011(7):9-11.

［3］ 郭 健.某雙塔大底盤超限高層動力彈塑性分析［J］.江蘇建筑，2012(1):51-53.

［4］ 阮小東.深圳城建集團觀瀾項目超限高層住宅動力彈塑性分析［J］.廣東建筑與土木，2010(10):81-83.