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建筑科技95性能化设计在某超高层结构设计中的应用张青峰，鲁 阳（合肥工业大学设计院（集团）有限公司，安徽 合肥 230009）摘要：某高层建筑建筑高度241.5m，采用钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系，经过试算分析，不设置加强层结构刚度能满足国家规范相关要求。
结合现行规范和规程，介绍了性能化设计在超限高层建筑结构中的应用，设定了抗震性能目标，进行了多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下结构的弹性及弹塑性分析，找到了结构的关键部位并采取可靠措施予以加强，为此类似结构设计提供借鉴。
关键词：超高层结构；抗震性能目标；桁架转换本项目用于酒店、办公，地下3层，地上55层，建筑高度241.50m，主楼轴线平面尺寸为 45.0mx36.6m，平面基本柱网尺寸为 9.0m×图1 A 塔建筑剖面图本工程主体结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，重要性系数 1.0。
本工程抗震设防类别为重点设防类(乙类)，地基基础设计等级为甲级。
抗震设防烈度为7度，设计基本地震动加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地土类别为Ⅱ类。
钢管混凝土框架为一级、钢筋混凝土核心筒为特一级，41层转换结构构件、支承构件及其上下各一层竖向构件、竖向收进上下各一层的剪力墙均为特一级。
1 结构体系 1.1 结构选型本工程属于超B 级高层建筑，采用钢管混凝土框架+钢筋混凝土核心筒混合结构体系，框架由钢管混凝土柱、H 形或箱型截面钢梁及组合楼板组成。
地下室顶板无大开洞，顶板楼盖设计符合《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）[1]3.6.3条，地下一层与相邻上层的侧向刚度比符合高规5.3.7条要求，计算嵌固端确定为地下室顶板。
计算时通过比对分析，发现在不设置加强层的情况下，结构刚度满足高规相关要求，最终确定不设置加强层的结构方案。
1.2 楼盖体系 塔楼核心筒采用钢筋混凝土楼板，核心筒外围楼板采用钢筋桁架楼承板组合楼板[2]，转换桁架上下两层的楼板厚为150mm，地下室顶板板厚180mm,其余楼层的楼板厚度均为100mm。
1.2 数值仿真技术的应用在工程领域的应用中，数值仿真技术主要指以计算机为手段，通过对实际问题的分析建立数值模型，结合数值计算方法来获取研究结果，并且以云图、图表、动画等直观的方式展现，达到对工程问题或者物理问题进行科学研究的目的，其中也包括了动力弹塑性分析在抗震设计中的应用。
商业软件在工程领域的应用表1结构专业建筑专业工程问题仿真软件工程问题仿真软件动力弹塑性分析ABAQUSPERFORM-3D建筑能耗PHOENICS多尺度分析ANSYSMidas Gen声、光环境RAYNOISE数值风洞模拟FLUENT/CFX烟雾扩散FDS 连续倒塌模拟MSC.MARC人员疏散Simulex1.3 动力弹塑性分析的基本要素动力弹塑性分析基本流程如图2所示。
（a）建立物理模型（c）进行数值分析，得到分析结果图2 动力弹塑性分析基本流程动力弹塑性分析方法包括以下三个基本要素：1）建立结构的弹塑性模型及地震波的数值输入；2）数值积分运算分析；3）全过程响应输出。
从设计角度解释，静力或动力弹塑性分析都类似于一种“数值模拟试验”，尤其是动力弹塑性分析可在一定程度上仿真结构在地震波作用时段内的反应过程，可理解为一种“数字振动台试验”。
表2总结了振动台试验、静力及动力弹塑性分析之间的共同点与差异。
结构弹塑性分析与振动台试验表2振动台试验静力弹塑性分析动力弹塑性分析适当的模型比例适当的模型精细化程度（宏观构件模型、微观材料模型）适当的模型材料适当的材料应力-应变曲线或者截面、构件骨架曲线适当的材料本构模型或者截面、构件的滞回模型动力加载静力加载地震波输入试验结果监测（位移，转角，应变，裂缝发展等）分析结果监测（性能曲线及性能点，变形，材料应变，材料损伤，截面利用率）分析结果监测（变形及残余变形，材料应变，材料损伤，截面利用率，能量平衡等）而动力弹塑性分析方法与线性静力分析方法却有较大的不同，如表3所示。
线性静力分析与动力弹塑性分析特点对比 表3分析方法线性静力分析方法动力弹塑性分析方法材料假定弹性模量，泊松比更为真实的材料本构模型（如钢材双折线模型，混凝土三折线模型或者更复杂）构件模拟构件刚度不变构件刚度变化（如混凝土损伤开裂导致构件刚度退化）作用力直接施加外力荷载静载作用下直接输入地震波数据进行积分运算非线性简化方法考虑P-Δ效应考虑材料非线性，几何非线性，边界非线性工况组合不同工况可以线性组合必须累计重力作用对结构在地震作用下响应的影响平衡方程静力平衡方程：动力平衡方程：分析结果工况组合结果直接用于结构设计结构反应随时间变化，从变形角度，统计结构最大反应指导结构设计注：为刚度矩阵；为阻尼矩阵；为质量矩阵；为荷载向量；为节点位移向量；为节点速度向量；为节点加速度向量。
PKPM软件园地 建筑结构.技术通讯 2007年1月弹性、弹塑性时程分析法在结构设计中的应用杨志勇 黄吉锋（中国建筑科学研究院 北京 100013）0 前言地震作用是建筑结构可能遭遇的最主要灾害作用之一。
几十年来，人们积累了大量的实测地震资料，这些资料多以位移、速度或者加速度时程的形式体现。
与此相对应，时程分析方法也被认为是最直接的一种计算建筑结构地震响应的方法。
但是，由于地震作用随机性导致计算结果的不确定性，弹性时程分析方法只是结构设计的一种辅助计算方法；虽然如此，抗震规范为了增强重要结构的抗震安全性，还是将弹性时程分析方法规定为常遇地震作用下振型分解反应谱法的一种补充计算方法；尤其是考虑了结构的弹塑性性能后，弹塑性时程分析方法更是被普遍认为是一种仿真的罕遇地震作用响应计算方法。
《建筑抗震设计规范》（GB50011－2001）第3.6.2，5.1.2，5.5.1，5.5.2，5.5.3等条文规定了时程分析相关的内容。
下面结合TAT ，SATWE ，PMSAP 和EPDA 等软件应用，探讨如何将弹性、弹塑性时程分析正确应用到结构设计中去。
1 弹性时程分析的正确应用11正确地在软件中应用弹性时程分析方法需要对规范的相关条文规定有正确的认识。
以下几点是需要特别明确的：（1）抗震规范第5.1.2条第3点规定，“可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值”。
在设计过程中，如何实现“较大值”有不同的做法：1)设计采用弹性时程分析的构件内力响应包络值的多波平均值与振型分解反应谱法计算结果二者的较大值直接进行构件设计；2)在实现振型分解反应谱方法时，放大地震力使得到的楼层响应曲线包住时程分析楼层响应曲线的平均值。
图1 SATWE 地震作用放大系数前一种做法可能使得构件配筋较大，因为在时程分析过程中，构件内力的最大响应具有不同时性，采用包络值进行设计会使得构件内力，尤其是压弯构件内力偏于保守。
基于纤维模型的超高层钢筋混凝土结构弹塑性时程分析及工程应用韩小雷1,2)陈学伟1)林生逸1)何伟球1) 郑宜1) 吴培烽1)毛贵牛1) （1. 华南理工大学高层建筑结构研究所广州 510640；2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室广州 510640）[摘要]基于纤维模型理论利用PERFORM-3D软件实现了复杂超高层建筑结构的弹塑性时程分析并进行构件变形性能评估。
针对PERFORM-3D建立高层结构模型的复杂性，开发了PERFORM-3D前处理程序ETP使之能够方便地准确地建立弹塑性模型。
分析表明，基于纤维模型的整体结构弹塑性分析法是一种高效可行的方法，不但宏观上得到结构整体响应，而且微观上得到构件内力及变形和纤维的应力及应变。
通过工程实例，得到整体结构响应、构件的变形及结构能量耗散情况，研究按我国现行规范进行设计的超高层混凝土结构在罕遇地震作用下的非线性变形及受力特点。
[关键词]弹塑性时程分析 PERFORM-3D 超高层结构基于性能阻尼Inelastic Time-History Analysis and Engineering Application of Super High-Rise RC Building Structure Based on Fiber Model /Han Xiaolei1,2, Chen Xuewei1, Lin Shengyi1, He weiqiu1, Jack Cheang1, Wu Peifeng1, Mao Guiniu1(1 Tall Building Structure Research Institute, College of Architecture and Civil Engineering; 2 Key Laboratory of Subtropic Architecture Ministry of Education, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)Abstract:Inelastic time history analysis and component deformation performance evaluation of complex super high-rise building structure can be realized by the program PERFORM-3D based on the theory of fiber model. In order to reduce the complexity of tall building structure modeling, a pre-processing program named ETP is proposed in this paper. The research showed that inelastic analysis of the whole structure based on fiber model is a efficient and successful method. In macro sense, the response of the whole structure can be gained. And in micro sense, component internal force and deformation as well as the stress and strain of the fiber can be gained. Combining with engineering example, the results of the whole structure response, component deformation and energy dissipation can be used for the research of the inelastic deformation and stress characteristics of the super high-rise building structure designed according to current codes under rare earthquake.Keywords: inelastic; time-history analysis; PERFORM-3D; super high-rise building structure; Performance-based1 前言基于性能的抗震设计方法是抗震设计的一个新的发展方向，它的特点是使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡。
基于性能的抗震设计的关键在于选取正确的弹塑性分析方法。
弹塑性时程分析法是目前最可靠的方法之一。
该方法逐渐被工程界所应用，如文献[1]采用ABAQUS进行弹塑性分析，文献[2]采用LS-DYNA进行弹塑性分析等。
上述方法均采用通用有限元软件对复杂结构进行分析，该方法已经逐步完善但仍存在以下不足：不能宏观得到构件的变形与直接进行性能评估；不能直接得到结构能量耗散时程曲线等。
针对上述问题，Powell教授[3]在DRAIN-3DX的基础上开发了基于纤维单元的基于性能的抗震分析软件PERFORM-3D。
本文采用PERFORM-3D软件对一复杂的剪力墙超高层钢筋混凝土结构进行弹塑性时程分析并进行性能评估。
2 PERFORM-3D单元模型2.1 梁柱单元模型PERFORM-3D提供多种梁柱单元模型，包括塑性铰模型及纤维模型。
本文工程实例梁柱均采用纤维模型。
纤维模型梁柱单元有以下特点：基于平截面假定，将梁柱的内力-变形关系转化成混凝土与钢筋的应力-应变关系；铁木辛柯梁单元，可考虑剪图 1 梁、柱及剪力墙纤维示意图束混凝土及非约束混凝土纤维，可以输入复杂组合截面，梁柱纤维截面如图1所示；PERFORM-3D 的梁柱构件提供构件的截面组装功能，这个功能可以使不增加自由度的情况下增加梁柱单元延长度方向的积分点数，提高计算精度与效率。
基于不同的构件组装，梁柱单元分为两种模型，端部塑性区模型及多段塑性区模型，如图2所示。
模型合理的单元划分，采用端部塑性区模型可保证精度的前提下节约计算时间。
对于受剪力较大的梁构件，在截面组装时可以加入剪切铰模拟梁的非线性剪切变形及剪切破坏。
图 2 梁柱构件组装示意图2.2 分层剪力墙模型PERFORM-3D 中采用宏观分层单元来模拟剪力墙构件[4]，如图3所示，一维纤维单元模拟剪力墙的平面内压弯效应，非线性或线性剪切本构模拟剪力墙的平面内剪切效应，平面外弯曲、平面外剪切及扭转效应均采用弹性本构模拟。
剪力墙的特点是在纤维截面定义时可以采用约束混凝土与非约束混凝土纤维来模拟端部约束区与非端部约束区。
剪力墙与梁的刚接是采用刚臂连接，如图4所示。
图 3 剪力墙分层单元示意 图 4 剪力墙内置刚臂3 材料本构模型3.1 钢材本构模型PERFORM-3D 的钢材本构分为屈曲钢材本构及非屈曲钢材本构。
钢筋一般采用非屈曲钢材本构[5]，因为结构的延性设计主要是建立在结构钢筋经历反复的大塑性应变依然能够维持较高的应力水平基础上的，并要求钢筋通常不会发生拉断等脆性破坏。
本文采用受力钢筋主要为HRB400，钢筋本构取值如图5所示。
图 5 钢筋应力-应变关系3.2 混凝土本构模型目前在宏观模型中最为常用的约束混凝土的单轴受压应力应变关系是Mander 应力应变关系[6]。
该模型的混凝土应力应变关系由5个参数确定，与截面形状和箍筋的配置有关。
根据Mander 模型的公式、混凝土材料强度平均值及弹性模量值，可计算得到本工程所采用不同箍筋约束情况下的混凝土材料本构曲线，如图6所示。
图 6 不同体积配箍率下的约束混凝土应力-应变关系3.3 恢复力模型在循环荷载的作用下，非线性构件耗散能量，耗散能量的大小为滞回环所包围的面积，因此滞回环的大小和形状将很大程度上影响结构的响应。
PERFORM-3D 中能量退化参数可以人为的指定，它将取决于最大变形，PERFOMR-3D 自动调整卸载-加载刚度来给出要求的能量退化，能量退化系数一般通过实验或数值模拟得出。
3.4 阻尼 弹性结构的耗散能量通常是通过各种机械能，通常在分析中被模拟为粘滞阻尼;如果结构屈服，它的能量将会更直接的通过非线性行为耗散，构件的耗散能量通过滞回环的面积来衡量，滞回耗散的能量并不能完全涵盖结构的耗能，结构仍然有大量的弹性能量耗散,弹性能量的耗散仍然模拟为粘滞阻尼，在动力弹塑性时程分析中结构的粘滞阻尼采用Rayleigh 阻尼来模拟。
文献[7]指出塑性铰模型与纤维模型在阻尼中的区别：塑性铰模型在初始线弹性段不存在附加阻尼，塑性铰形成后通过滞回环才产生附加阻尼；基于多折线的材料本构的纤维模型在构件变形的全过程，随着纤维的开裂，屈服及破坏，附加阻尼自动计算。
后者在阻尼的数值模拟中定义后者优于前者。
3.5 时程积分算法动力平衡方程MrCr Kr R ++=&&&经过一个时间步长t Δ，动力平衡方程为：M r C r K r R Δ+Δ+Δ=Δ&&&，此方程可以通过Step-by-step 方法求解，方程中具有三个未知量(,,r r r ΔΔΔ&&&)，因此需要对方程求解过程进行假设，并且方程解为近似的。
当然目前有多种Step-by-step 的求解方法，PERFORM-3D 采用Constant Average Acceleration (CAA)方法。
4 工程实例 4.1 工程概况基于PERFORM-3D 软件，对某超高层结构进行7度罕遇地震下的动力弹塑性分析[8]。
结构采用现浇钢筋混凝土部分框支剪力墙结构，其中中部核心筒剪力墙及四周角部剪力墙直接落地，部分剪力墙在转换层通过梁式转换结构转换为框支柱。
满跨转换梁采用普通钢筋混凝土梁，因塔楼剪力墙窗洞而形成的非满跨转换梁采用型钢混凝土梁。
结构高度182.5m ，结构平面布置如图7所示。
图 7 结构平面布置图4.2 选取地震波弹塑性时程分析选取了2组人工波及5组天然波。
建立结构ETABS 弹性模型，采用20组双向天然波样本进行试算，将40个地震工况的基底剪力与反应谱的基底剪力进行对比，挑选出满足我国建筑抗震设计规范(GB50011-2001)的要求，即单个时程分析计算基底剪力结果应大于反应谱法结果的65%，时程分析的基底剪力结果的平均值应大于反应谱法结果的80%。
