5月17日，位于蘇州工業(yè)園區的蘇州環(huán)貿廣場(chǎng)ICC順利完成封頂，該項目為新鴻基地產(chǎn)在蘇州打造的首座城市綜合體。蘇州環(huán)貿廣場(chǎng)ICC由高310米綜合樓、4F裙樓和花園廣場(chǎng)組成，規劃有購物中心、超甲級辦公樓以及高端住宅。

　　該項目塔樓建筑高度310m，地下4層，地上67層，采用混凝土框架-核心筒結構體系，為超B級高度且平面和豎向均不規則的超限高層。

　　項目由中衡設計集團股份有限公司作為主體單位完成設計，其中結構設計還包括顧問(wèn)單位東南大學(xué)建筑設計研究院和ARUP奧雅納工程咨詢(xún)有限公司，此外中衡設計集團針對結構大震性能完成結構動(dòng)力彈塑性分析驗證，并基于此完成相關(guān)優(yōu)化工作。（相關(guān)內容可見(jiàn)中衡設計集團發(fā)表于《建筑結構》（2019，49（01））的論文《蘇州環(huán)貿廣場(chǎng)塔樓結構動(dòng)力彈塑性分析》和《阻尼在結構動(dòng)力計算中的理解與應用》）

關(guān)于結構動(dòng)力彈塑性分析驗證

　　地震引起的自然災害具有較強的隨機性和復雜性，災害一旦發(fā)生，不僅危及生命安全，還會(huì )造成巨大的經(jīng)濟損失和社會(huì )影響，因此，為滿(mǎn)足建筑結構在地震作用下安全性能需求的不斷提升和個(gè)性化需求，基于性能的抗震設計方法開(kāi)始逐步發(fā)展并得到越來(lái)越廣泛的應用，而通過(guò)動(dòng)力彈塑性分析方法驗證結構在大震下的性能表現，包括屈服機制、損傷和變形程度等，是性能化設計中的必要工作。

　　結構動(dòng)力彈塑性分析驗證可理解為一種“數字振動(dòng)臺試驗”，可在一定程度上仿真結構在地震波作用時(shí)間下的過(guò)程反應，如層間位移角峰值及其出現的時(shí)間點(diǎn)，塑性鉸出現的時(shí)間點(diǎn)、順序和塑性轉角的發(fā)展等，以及地震波結束后時(shí)段內結構通過(guò)自由振動(dòng)過(guò)程恢復到靜止狀態(tài)時(shí)不可恢復的永久殘余變形，如殘余層間位移角。

　　 摘自《動(dòng)力彈塑性分析在結構設計中的理解與應用》 （張謹，楊律磊 等編著(zhù)，中國建筑工業(yè)出版社，2016） 

項目概況

　　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抗震縫脫開(kāi)，裙樓為4層框架結構。塔樓建筑總高度為309.85m，結構主屋面標高為298.05m，為采用框架-核心筒結構體系的超B級高度高層建筑，地下4層，地上67層；在39層通過(guò)設置轉換梁轉換少量電梯井道周邊內墻，使酒店式公寓部分核心筒內結構布置相對簡(jiǎn)單；在43層電梯控制柜機房層布置轉換梁轉換上部電梯井道剪力墻。

　　結構設計基準期和設計使用年限均為50年。結構安全性等級為一級，抗震設防類(lèi)別為重點(diǎn)設防類(lèi)（乙類(lèi)），抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，結構計算的嵌固層設在地下室頂板。采用PERFORM-3D軟件針對塔樓結構進(jìn)行結構彈塑性時(shí)程分析與結構抗震性能評估，建筑效果圖見(jiàn)圖1。

圖1

結構體系與彈塑性模型

　　結構體系

　　塔樓采用框架-核心筒結構體系，結構平面尺寸為49.4m×53.7m，標準層平面圖見(jiàn)圖2，結構高寬比為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 標準層平面圖

　　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，內墻厚度由下到上由1000mm減小至400mm。

　　結構彈塑性模型

　　構建采用PERRORM-3D軟件，采用自主研發(fā)的模型數據轉換接口A(yíng)RTS-Y2P，可將YJK彈性模型配筋信息轉換為PERFORM-3D非線(xiàn)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，整體結構模型見(jiàn)圖5。

圖3 纖維截面模型

圖4 塑性鉸模型

圖5 整體結構模型（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），對結構進(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。

　　結構阻尼采用瑞雷阻尼模型來(lái)模擬，設定0.25倍與1.25倍結構第1階周期T1所對應的阻尼比為5%。

性能目標與評價(jià)指標

　　綜合考慮抗震設防類(lèi)別、設防烈度、場(chǎng)地條件、結構特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度等各項因素，設定結構性能目標為C，D。根據結構構件重要程度不同，結合結構抗震性能目標，結構構件抗震性能目標見(jiàn)表1。

抗震烈度水準	多遇地震	設防地震	罕遇地震
整體變形控制目標	1 /500	—	1/100
核心筒底部加強區， 底部加強區框架柱， 支承托墻梁端柱	彈性	抗剪彈性，   抗彎不屈服	滿(mǎn)足截面   受剪要求
核心筒非底部加強區， 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 結構構件抗震性能目標

　　基于抗震性能目標設定不同性能狀態(tài)對應的構件塑性轉角限值（表2），同時(shí)在分析模型中設定構件材料應變限值（表3）。

構件類(lèi)別	輕度損傷	中度損傷	重度損傷	本文限值
ＲC 轉換梁 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

構件類(lèi)型	混凝土壓應變	鋼筋拉應變
墻 ＲC 柱 SＲC 柱	0. 003	0. 004
轉換梁 轉換梁端柱	0. 002	0. 002

表3 材料應變限值

模型一致性校核

　　為保證非線(xiàn)性結構模型能正確反映結構特性，在進(jìn)行非線(xiàn)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，對比結果見(jiàn)表4，結構前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

圖6 結構前3階振型

彈塑性時(shí)程分析結果

　　圖7給出了結構在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(xiàn)，分析結果表明，結構頂點(diǎn)位移由2.5m減小為1.0m。

圖7 NW1波作用下結構頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線(xiàn)

　　圖8為罕遇地震作用下結構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地震波作用下結構能量時(shí)程分布，結果表明，阻尼耗能與塑性耗能是結構的主要耗能形式，阻尼耗能與塑性耗能相當。圖10為構件層面的塑性損傷狀態(tài)，結果表明損傷狀態(tài)均滿(mǎn)足性能目標要求。圖11為39層和43層轉換層中轉換梁的彎曲塑性轉角計算結果，圖中1.0代表塑性轉角達到限值0.002（輕度損傷），結果表明轉換梁塑性轉角都在限值范圍內。

圖8 層間位移角計算結果

圖9 結構能量分布

圖10 構件塑性損傷狀態(tài)

　　托墻轉換梁的抗震等級為特一級，為準確模擬其力學(xué)特性，基于Midas Gen軟件，對結構轉換構件的應力分布特點(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，同時(shí)也為施工圖設計中采取的抗震構造措施提供參考。轉換梁采用殼單元模擬，圖11所示為Midas Gen分析結果基本呈現為梁下部承受拉應力，上部及梁端出現壓應力。

圖11 某轉換梁應力分布

　　根據轉換梁與其支托墻的力流分布特征，如圖12所示優(yōu)化減小轉換梁截面上部截面寬度，下部截面保持不變， 以保證轉換梁減小截面的同時(shí)仍能夠承受較大的拉力。

圖12轉換梁截面調整方式

　　圖13所示轉換梁抗震性能表明，減小截面后的轉換梁仍具有較好的抗震性能，滿(mǎn)足預設性能目標，且與優(yōu)化前塑性損傷狀態(tài)基本一致。

圖13 優(yōu)化設計前后轉換梁塑性轉角

與SAUSAGE軟件分析結果的對比

　　結構顧問(wèn)單位采用了SAUSAGE軟件對結構進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性分析，因此中衡設計對PERFORM-3D軟件和SAUSAGE軟件的分析結果進(jìn)行了對比研究。

結構體系與彈塑性模型

　　頂點(diǎn)位移曲線(xiàn)

　　圖14為兩個(gè)軟件計算出的AW波X主向輸入下外框柱頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線(xiàn)。PERFORM-3D計算出時(shí)程曲線(xiàn)與SAUSAGE的形狀較為一致，且兩個(gè)軟件計算的時(shí)程曲線(xiàn)峰值點(diǎn)出現時(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(xiàn)

　　核心筒損傷

　　圖15為兩個(gè)軟件計算出的核心筒損傷分布。由圖可知，PERFORM-3D與SAUSAGE計算出的核心筒損傷分布趨勢較為一致，PERFORM-3D計算出非底部加強區局部損傷程度要低于SAUSAGE結果。

圖15 核心筒損傷分布圖

　　對比分析

　　對兩個(gè)軟件的力學(xué)模型和分析結果進(jìn)行對比研究，產(chǎn)生不同結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力不大于2倍抗拉強度標準值，構件模擬考慮了附加型鋼作用，且邊緣構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模型核心筒底部區域損傷較SAUSAGE模型略輕，同時(shí)可說(shuō)明此區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)阻尼計算方法；PERFORM-3D模型采用了瑞雷阻尼計算方法。由于瑞雷阻尼的高階振型對應的阻尼比要高于5%，因此采用瑞雷阻尼計算結果要偏小于5%的模態(tài)阻尼，見(jiàn)圖16。

圖16 阻尼模型

　　3）材料本構不一致。在SAUSAGE模型中，鋼材和混凝土材料的本構模型中應用了標準值；在PERFORM-3D模型中，為了充分挖掘結構性能儲備，鋼材的本構模型應用了極限值，柱箍筋范圍內的混凝土本構模型采用了約束混凝土理論（峰值應力、應變均有所提高）；因此PERFORM-3D模型計算的豎向構件塑性損傷會(huì )比SAUSAGE模型小，但結構的塑性損傷會(huì )更加集中在水平構件（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 )減小結構的內力響應。

圖17 單元模型

基于TBI的動(dòng)力彈塑性分析

　　計算參數設置

　　《基于性能的高層建筑抗震設計準則》（Guidelines for performance-based seismic design of tall buildings，簡(jiǎn)稱(chēng)TBI）由加州大學(xué)伯克利校區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計方法的框架，代表了目前較為先進(jìn)的性能化設計水平。項目中基于此設計準則，完成了動(dòng)力彈塑性分析，其與國內已有方法有較多不同，包括初始阻尼比調整為2.5%，活荷載重力代表值系數調整為0.25。

　　根據前述結構動(dòng)力彈塑性分析結果，選取引起結構響應最大的AW波進(jìn)行分析。

　　頂點(diǎn)位移曲線(xiàn)

　　圖18為結構頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線(xiàn)，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 結構頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線(xiàn)

　　層間位移角曲線(xiàn)

　　圖19為結構層間位移角分析結果，X向層間位移角最大值為1/115，Y向為1/124，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)明結構抗震性能滿(mǎn)足TBI要求。

圖19  結構層間位移角曲線(xiàn)

結論

　　1）罕遇地震作用下，彈塑性模型的結構周期約為彈性模型的1.21倍。

　　2）在罕遇地震作用下，結構在各個(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(mǎn)足規范小于1/100的要求。

　　3）結構能量分布時(shí)程表明，阻尼耗能與塑性耗能是結構的主要耗能形式，阻尼耗能與塑性耗能相當，塑性開(kāi)展程度基本接近中等程度。

　　4）構件層面的塑性損傷狀態(tài)表明，連梁作為結構抗震第一道防線(xiàn)，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，達到耗能設計意圖，其屈服耗能有效地保護了主體墻肢不被嚴重損壞；樓面梁處于輕度或中度損壞狀態(tài)，底部區域柱與上部區域柱輕度損壞；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，結構的整體性依然保持較好。

　　5）轉換梁經(jīng)優(yōu)化設計后彈塑性分析得到的彎曲塑性轉角仍滿(mǎn)足性能目標要求。

　　6）構件設計階段，針對結構薄弱環(huán)節采取加強措施，以期進(jìn)一步提高結構抗震性能。

　　7）PERFORM-3D模型與SAUSAGE模型的結構頂點(diǎn)位移曲線(xiàn)、塑性損傷分布等宏觀(guān)分析結果較為一致，能夠互相驗證。

　　8）結構抗震性能滿(mǎn)足TBI要求。

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