第43卷第14期2013年7月下建筑结构BuildingStructureVol．43No．14
Jul．2013
康力电梯测试塔动力弹塑性时程分析
路江龙，杨律磊，朱寻焱，龚敏锋，王迅飞，谈丽华
（苏州工业园区设计研究院股份有限公司，苏州215021）
［摘要］康力电梯测试塔地上36层，高度268m，结构高宽比达11.4，采用筒中筒结构体系，属超限高层结构。选3D软件，用ABAQUS和PERFORM-基于不同的积分求解方式和分析假定，对结构进行了罕遇地震下的弹塑性时程分析。结果表明，两者在结构整体抗震性能、破坏情况等方面的计算结果基本一致。考虑一组人工波（X向和Y向）、两组天然波（X向和Y向）共6个工况，对比分析结构在地震作用下的变形、内力和损伤情况，并为优化结构设计和加强薄弱部位提供参考依据。结果表明，结构在罕遇地震下最大弹塑性层间位移角满足规范和性能目标要求；连梁作“大震不倒”为第一道防线，出现不同程度的损伤，达到耗能设计目的；结构整体震害较轻，满足的设防要求。［关键词］超限高层；动力弹塑性；基于性能；罕遇地震中图分类号：TU352
文献标识码：A
848X（2013）14-0034-06文章编号：1002-
Dynamicelastic-plastictime-historyanalysisofCannyElevatortesttowerLuJianglong，YangLülei，ZhuXunyan，GongMinfeng，WangXunfei，TanLihua
（SuzhouIndustrialParkDesign＆ResearchInstituteCo．，Ltd．，Suzhou215021，China）
Abstract：The36-storysuperhigh-riseCannyElevatortesttowerwithtube-in-tubestructuralsystem，is268minheightand11.4inheight-widthratio．Thetime-historyresponseunderrareseismicearthquakewasstudiedbyABAQUSandPERFORM-3Dwithdifferentintegralsolvingmethodsandanalysisassumptions．Modalanalysisshowsthatresultsfrombothmodelsareverysimilarinoverallseismicperformanceandfailuremode．Twonaturalwavesandonegeneratedwavewereusedtodefinesixdifferentseismiccases．Inordertooptimizethestructuraldesignandstrengthenweakpartsofstructure，thestructuraldisplacements，memberforcesanddamageofstructureunderthesesixseismiccaseswerecaptured．Theresultsshowthat：themaximuminelasticstorydriftunderrareseismicearthquakeiswithinthelimitofnormandmeetthepurposeofseismicdesign；differentdamagesarefoundincouplingbeamwhichisthefirstresistpartofstructureandcanmeettheenergydissipationpurpose；theseismicdamageofstructureisacceptableandcanmeettherequirementsofnocollapseunderrareearthquake．
Keywords：superhigh-risebuilding；dynamicelastic-plastic；performance-based；rareearthquake
1工程概况
康力电梯试验塔位于江苏吴江汾湖经济开发区设计地震分组为第一组，设计基本加速度为0.05g，
特征周期为0.45s。结构耐久性年限50年，重要性系数1.0。基本风压w0=0.45kPa，地面粗糙度为B类。由于结构高宽比较大，结构较柔，为了有效提高结构抗侧刚度，将电梯井墙体设计剪力墙，同时在建筑外围布置外筒，形成钢筋混凝土多束筒体+剪力墙作为筒中筒结构体系进行设计。剪力墙混凝土结构，
106m以上为C40，中间为强度在46m以下为C60，
C50；内墙厚度为400mm，外墙0～26m厚度为
600mm，26～36m为550mm，36～196m为500mm，196m以上为450mm。结构超限情况如表1所示［1］。《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）［2］按
（简称抗规）结构抗震性能化设计方法，同时考虑到选用性能目标3作为本工程的性能目标，结构较柔，如表2所示。
康力大道以北，江苏路以西，近沪苏浙高速公路，为高度为超高层测试塔。其主体结构地上36层，268m；地下2层，埋深14m。结构高宽比为11.4，采用筒中筒结构体系。结构效果图和平面示意图分别如图1和图2所示
。
该工程抗震设防烈度为6度，场地类别为Ⅳ类，
图1
结构效果图图2结构平面示意图
作者简介：路江龙，高级工程师，一级注册结构工程师，英联邦特许结
CEng），Email：lujianglong@sipdri．com。构工程师（MIStructE，
结构超限情况
表1
判定原因
结构总高度268m，超A级高度（180m），未超B级高度范围开洞面积大于楼面面积的30%楼层高度改变导致刚度比超限196，235m部分外围剪力墙在36，高度以上取消
高宽比为11.4，超过规范限值
2.3整体模型
本文的整体结构模型取地下室顶板作为结构嵌
固端，考虑结构自重和竖向恒活载作用影响；构件配筋参考YJK软件的计算结果，同时考虑相关规范构造要求。整体模型如图3所示。
超限项目高度超限不规则类型
楼板不连续刚度突变尺寸突变高宽比超限
判定结果
是是是是是
抗震性能目标
地震烈度水准抗震性能定性描述最大层间位移角
剪力墙
构件性能
框架梁连梁
小震不损坏1/550弹性弹性弹性
中震可修复1/300弹性弹性不屈服
大震不倒塌1/150部分可屈服部分可屈服可屈服
表2
《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）［1］注：1）参考
第3.7.3条，结构高度超过250m时，层间位移角取1/500作为限值，本工程中取为1/550；2）在中震作用下，剪力墙正截面拉应力最大值为0．6MPa小于标准值（2．85MPa）。
2分析模型
本文同时采用有限元软件ABAQUS和弹塑性
3D，分析软件PERFORM-对结构在罕遇地震作用下的安全性能进行分析论证。
2.1材料模型
ABAQUS中钢材采用双线性随动强化本构模型，考虑包辛格效应，循环过程中无刚度退化，强化段强化系数取0.01；混凝土采用《混凝土结构设计（GB50010—2010）［3］附录C提供的受拉、规范》受压应力-应变曲线作为混凝土滞回曲线骨架线，并考虑损伤系数构成拉压滞回曲线。PERFORM-3D中钢材采用考虑强度损失的二P-P本构模型；混凝土考虑抗拉强度，折线弹塑性E-采用考虑强度损失的三折线弹塑性Trilinear模型。关键点的材料参数按照规范取值。循环荷载作用下
的滞回关系通过定义能量耗散系数来实现。2.2构件模型
ABAQUS模型中，梁、柱等一维杆件采用纤维梁单元B31；剪力墙等二维弹塑性模型采用
壳单元S4［4］。PERFORM-3D模型中，梁、柱单元的非线性采用塑性铰模型模拟；剪力墙采用双向纤维通用墙
［5］
模拟。混凝土楼板的模拟常用的计算分析方法是采用刚性板假设，而在弹塑性过程中，楼板往往发生开裂，导致平面刚度下降，对周边剪力墙体将产生一定的影响。因此本文在ABAQUS的分析中，对各
以期得到更准层楼板采用弹塑性壳单元进行分析，确的模拟结果。
图3
ABAQUS和PERFORM-3D模型图
2.4阻尼控制
在地震作用下，阻尼耗能是比较重要的耗能形
式。在数值模拟中，使用较普遍的是振型阻尼和瑞雷阻尼。参考抗规，本结构在罕遇地震作用下的振型阻尼比取为0.05；瑞雷阻尼分为质量阻尼α和刚度阻尼β，其与振型阻尼的换算关系见下式：βωAβωBαα
+=+2ωA22ωB2
式中ωA和ωB分别为结构频段A点和B点的圆频
ωB=20π/9T1，其中T1为率。本文取ωA=8π/T1，
ξ=
结构的第一周期。
由于ABAQUS分析采用直接积分的显式算法，无法在计算中直接代入振型阻尼，故使用瑞雷阻尼；而刚度阻尼对稳定计算的时间步长影响很大，由此带来的计算成本过高，无法满足工程的实际要求。因此分析中仅考虑质量阻尼的影响。
PERFORM-3D分析采用直接积分的隐式算法，可采用振型阻尼与瑞雷阻尼结合的形式来构建结构体系的阻尼矩阵，从而更加准确地表征结构的阻尼特性。
2.5地震波选取
根据抗规要求，选择一组人工波和两组天然波进
行弹塑性时程分析。地震波采用三向输入，各方向峰值比为X∶Y∶Z=1∶0.85∶0.65，持续时间为30s，综合《地震安全性评价报告》，抗规要求和主方向地震波峰值取为187.5gal。图4和图5分别为人工波X方向波形图以及加速度谱与规范谱对比示意图
。
地震作用下的最大顶点位移为0.952m（图6）；结构最大弹塑性层间位移角为1/197，满足规范要求（图7）。3.2层间剪力
图8为地震作用下结构层间最大剪力，可见各方向剪重比均满足规范要求。
图4人工波X
向波形图
图6
结构弹塑性层位移对比图
图5人工波X向加速度反应谱与规范谱对比图
3
整体计算结果
表3为结构在地震作用下的整体性能汇总，由
于在模型分析中存在一定差异，如ABAQUS采用弹
PERFORM-3D采用刚性楼板假定，塑性楼板，又如ABAQUS考虑了钢筋质量影响等，所以两者计算结果存在少许误差。但从整体来说，两者基本一致，证
明计算模型和分析假定是合理可信的。
整体性能汇总
计算程序总质量/t
1
振型周期/s
23
最大基底剪力/kN最大剪重比/%最大顶点位移/m最大层间位移角（所在层标高/m
）
X向Y向X向Y向X向Y向X向Y向
ABAQUS639264.704.460.[1**********]69.87.80.8370.8071/197（208）1/246（228）
596304.524.250.[1**********]06.68.60.9520.7801/204（268）1/254（268）
图7结构弹塑性层间位移角对比图
3.3能量耗散
10为地震过程中能量的耗散时程。从图9，在地震作用初期，能量主要源于静图中可以看出，
力荷载作用，故基本都集中于弹性应变能；随着地震的加剧，弹性应变能基本保持不变，结构动能有所增加，而阻尼与塑性耗能随着地震作用的加强开始大幅度增加，之后随着地震波减弱慢慢趋于稳定，整个过程消耗了大量地震能量。对比ABAQUS和PERFORM-3D结构能量耗散分布时程图可以看出，两者总能量相当，但前者的阻尼耗能较后者要小，使得塑性耗能相对较多，这也与前文不同的阻尼选取假设相对应。4结构塑性损伤情况
4.1梁柱构件塑性损伤
从图11（a）可以看出，在201m高度处即观光悬挑所在层，混凝土梁出现较大的损伤，损伤因子最大
破坏严重；在平面中部位置的部分主值超过0.8，
表3
PERFORM-3D
3.1层间位移
在考虑重力二阶效应及大变形的条件下，结构在
梁，损伤因子在0.2左右，存在轻度损坏；除此之外，
混凝土梁在大震作用下未见明显受压损伤。从图11（b）可以看出，除结构上部几层和观光悬挑所在层有少量的钢筋（材）出现塑性应变（最大值为0.0063）外，其余结构中未出现明显的塑性应变。
PERFDRM-3D从图12可知，地震激励作用下，
同ABAQUS结果类似，部分主梁存在一定的变形，但变形率较小；而在悬挑观光体所在层的混凝土梁
［6］
但未超过LS性能水准。亦出现了较大的变形，
4.2混凝土板塑性损伤
结构在36m高度处采用了凹角形式，从而在平
而从分析结面位置四个角上形成了四块屋面楼板，果来看，此部位损伤要较其他层大，故本文选取该部
分来研究楼面板混凝土在地震下的受压损伤，分析结果如图13所示。由图13可见，由于混凝土筒刚度较大，受压损伤主要集中在楼板角部与筒体相连部位，损伤的最大值接近0.5；而由图14可以看出，折算钢筋最大应力为314MPa，故楼板钢筋未出现塑
虽然混凝土损伤较大，但是对应的钢性应变。因而，
筋并没有出现塑性应变，故不会造成楼板的突然垮
不影响楼板的整体性。塌，
4.3剪力墙塑性损伤
在剪力墙中，破坏主要集中在连梁、结构底部和
剪力墙的布置示意见图15。观光悬挑体所在部位，
图8
结构弹塑性层间剪力对比图图9ABAQUS
结构能量耗散分布时程图3D
结构能量耗散分布时程图图10PERFORM-
图11ABAQUS梁柱构件损伤分布图12PERFORM-3D
框架梁柱构件性能水准变形使用率图
图13ABAQUS
楼板混凝土受压损伤分布图图14ABAQUS楼板钢筋最大内力分布图
/N图15剪力墙的布置示意
38
建筑结构2013
年
图16ABAQUS①和③
轴部分连梁受压损伤分布图3D①和③轴部分连梁剪切强度使用率分布图（1=剪切屈服应变
）图17PERFORM-
图18ABAQUS⑦和?
轴底部剪力墙受拉损伤分布图图19ABAQUS⑦和?
轴底部剪力墙受压损伤分布图
图20PERFORM-3D⑦和?轴剪力墙底部剪切强度使用率分布图（1=剪切屈服应变
）
图21?轴170～218m高度处剪力墙破坏损伤分布图
图16和图17为ABAQUS计算连梁受压损伤
3D计算的连梁剪切强度使用分布图和PERFORM-率分布图。从图中可以看出，连梁作为结构抗震第
一道防线，在地震作用下能迅速进入损伤阶段，并在连梁整个地震过程中保持耗能作用；在地震作用后，
部分损伤较大，破坏较为严重，达到耗能设计意图，
其屈服耗能有效地保护了主体墙肢不被破坏。图18～20为结构36m高度附近的剪力墙损伤分布图和剪切强度使用率分布图。在该部位，由于形成凹角形式，竖向尺寸突变，造成剪剪力墙收进，
第43卷第14期路江龙，等．康力电梯测试塔动力弹塑性时程分析
39
力墙边缘处应力集中，因而出现了一定的局部损伤；
另外，在部分洞口附近亦出现了轻度的受压和受拉破坏，建议对该部分墙肢配筋进行加强。而从整体来说，由于受压损伤面积较小，且受拉损伤范围并没有完全扩展开，结构的抗震承载力基本足够。
图21为结构观光悬挑体所在层周围剪力墙的混凝土损伤和剪切强度使用率分布图。从图中可以看出，在悬挑体支承处，特别是洞口附近，受力较为复杂，墙体出现了一定程度的损伤破坏，在后续的设计中有必要对其进行加强。但是由于破坏仅局限于小范围内，故对结构整体抗震性能并不构成影响。5
结论
本文采用不同的计算软件对超限结构进行罕遇地震下的弹塑性时程分析，可以得出以下结论：（1）ABAQUS和PERFORM-3D两者计算结果基本一致，整体抗震性能、破坏区域和损坏程度都比较相符，证明本文计算模拟的正确性。
（2）结构在地震作用过程中的最大弹塑性层间位移为1/197，满足规范限值及性能目标要求；在完成时程分析后，仍能保持直立，满足“大震不倒”的设防要求。
（3）在地震作用中，混凝土连梁作为第一道防线首先进入损伤阶段，而且发展迅速，并有部分连梁
破坏较为严重，达到耗能设计目的；结构整体和各类
构件损伤有限，震害较轻，有较大的弹塑性变形储备，满足抗震性能设计目标要求。
（4）在有观光悬挑体的楼层，混凝土梁、楼板和剪力墙都出现一定程度损伤；在部分剪力墙顶端、洞口周围及结构凹角处周边的剪力墙边缘，都出现部分损伤破坏，建议对这些部位加强设计。
参
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