PERFORM-3D在超限高层建筑结构

PERFORM-3D在超限高层建筑结构抗震分析中的应用主讲：陈学伟华南理工大学土木与交通学院博士研究生高层建筑结构研究所主要内容‡PERFORM-3D软件简介‡工程实例一：珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析‡工程实例二：中洲观光门架结构抗震性能分析‡工程实例三：盛德大厦改建工程抗震性能分析‡总结PERFORM-3D的软件简介PERFORM-3D(NonlinearAnalysisandPeroformanceAssessmentfor3DStructure)三维结构非线性分析与性能评估软件，它的前身为美国加州大学Berkeley分校的ProfGranhamHPowell开发的Drain-2DX和Drain-3DX，是一个致力于研究抗震设计的非线性软件工具。通过使用以变形为基础或者以强度为基础的极限状态来对复杂结构进行非线性分析，其中包括错综布置的剪力墙结构。PERFORM-3D为用户提供了一个复杂地震工程工具来进行静力弹塑性Pushover分析和动力弹塑性时程分析。G.H.PowellPERFORM-3D的单元模型†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，可考虑剪切变形；自由的纤维划分输入方式，可以输入约束混凝土及非约束混凝土纤维，可以输入复杂组合截面，梁柱纤维截面如图所示；顶部钢筋非约束混凝土约束混凝土底部钢筋非约束混凝土约束混凝土纵向钢筋约束混凝土非约束混凝土端部区配筋非端部区配筋PERFORM-3D的单元模型†梁柱单元模型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的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。PERFORM-3D的单元模型†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，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，如图所示。PERFORM-3D的材料本构†钢筋材料本构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，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，钢筋本构取值如图所示。PERFORM-3D的材料本构†混凝土材料本构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。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，如图所示。PERFORM-3D的建模方法†PERFORM-3D前处理系统ETPv1.0PERFORM-3D转件虽然分析功能强大，但是从科研性软件过渡而来，前处理输入模型非常烦琐，例如建立纤维截面，需要手动输入各纤维束的材料编号、面积、截面相对坐标值等。面向构件数量及带配筋信息的截面的数量非常巨大的复杂高层结构，运用该建模方法是非常困难的。因此本文开发了具有输入配筋的图形界面的PERFORM-3D软件前处理程序ETP(ETABSTOPERFORM-3D)，能够导入结构设计软件ETABS模型的几何信息、荷载信息、结点质量、截面信息、刚性隔板信息及支座条件。前处理程序界面如图所示。PERFORM-3D前处理系统软件界面PERFORM-3D的建模方法PERFORM-3D梁柱纤维截面划分PERFORM-3D剪力墙截面与配筋定义PERFORM-3D的建模方法导入PERFORM-3D后结构模型三维图结构的PERFORM-3D模型的总结点数为7453，梁纤维截面数为422，柱纤维截面数为50，剪力墙纤维截面数为590，梁柱构件类型数为456，剪力墙构件类型数为590，梁单元数为9021，柱单元数为956，剪力墙单元数为4171。PERFORM-3D的建模方法†结构弹塑性分析之前进行竖向荷载标准组合工况分析。竖向荷载采用ETABS导入的竖向荷载施加。由于建立的是非线性模型，竖向荷载分析需要采用荷载控制的静力弹塑性分析。该分析结果作为时程分析的初始状态并在时程分析中考虑P-△效应。†结构阻尼采用瑞利阻尼，第一及第二振型的阻尼比为0.05。计算步长为0.02s，总时间为20s，分析子步为200步，分7组地震波共14个工况进行时程分析。PERFORM-3D地震工况设置主要内容‡PERFORM-3D软件简介‡工程实例一：珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析‡工程实例二：中洲观光门架结构抗震性能分析‡工程实例三：盛德大厦改建工程抗震性能分析‡总结珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析天朗海峰国际中心为集商业、住宅为一体的多功能建筑。包含裙楼以及两座主楼，其中裙楼为商业功能，地上四层，占地地面4597m2；两栋主楼为商住楼，地上58层，各主楼占地面积727.3m2；该结构拥有三层地下室，占地面积11000m2。整座建筑利用功能形体组成一种海中灯塔的综合体。塔体顶部有明确简洁的收头造型，商业空间形成一种沉实的基座，有遨游于海洋的暗示，总体形象干净简练、含而不露，具有内在的自信格调；建成后将成为珠海的地标之一。工程设计基准期为50年，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，地震分组为第一组，抗震设防类别为丙类，结构安全等级为二级，场地特征周期Tg=0.45s。（a）效果图（b）ETABS模型图珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析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，结构平面布置如图所示。珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析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%。各地震波主波反应谱曲线与规范反应谱曲线对比如图所示。00.150.30.450.60.750.90246810周期T(s)地震影响系数GM1_人工波GM2_人工波GM3_SanFernando8244OrigonBlvdGM4_HollywoodStrorageP.E.GM5_BondsCornerEICentroGM6_TaftLincolnSchoolGM7_LomaPrietaOacklandOuterWharf规范反应谱平均值珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析导入PERFORM-3D后结构模型三维图结构的PERFORM-3D模型的总结点数为7453，梁纤维截面数为422，柱纤维截面数为50，剪力墙纤维截面数为590，梁柱构件类型数为456，剪力墙构件类型数为590，梁单元数为9021，柱单元数为956，剪力墙单元数为4171。珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析(a)T=0.0s(b)T=6.92s(c)T=10.28s(d)T=14.76s(e)T=17.48s(f)T=19.44s图GM3X工况下结构变形响应全过程珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析为了比较结构的塑性变形，建立弹性模型（采用ETABS分析）与弹塑性模型在同样的地震作用下的响应进行对比，结构整体反应时程曲线如图所示。从图中可见，在x主向地震作用下的前7秒，弹塑性分析的顶点位移时程与倾覆弯矩曲线形状与弹性分析基本一致,表明结构处于弹性状态；地震作用7秒以后，弹塑性分析的顶点位移曲线与倾覆弯矩曲线与弹性分析的曲线分离，表明结构发生明显的弹塑性损伤。-1000-5000500100005101520时间t(s)顶部位移(mm)弹塑性分析弹性分析CQC法-8.00E+06-4.00E+060.00E+004.00E+068.00E+0605101520时间t(s)基底倾覆弯矩(kNm)弹塑性分析弹性分析CQC法珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析X主向层间位移角曲线图时程分析法平均值最大值1/299010203040506000.0020.0040.006层间位移角(rad)STORYGM1XGM2XGM3XGM4XGM5XGM6XGM7XAVEY主向层间位移角曲线图时程分析法平均值最大值1/369000.0020.0040.006层间位移角(rad)102030405060STORYGM1YGM2YGM3YGM4YGM5YGM6YGM7YAVEX主向层间剪力曲线图时程分析法平均值最大值43787kN01020304050600200004000060000层间剪力(kN)STORYGM1XGM2XGM3XGM4XGM5XGM6XGM7XAVEY主向层间剪力曲线图时程分析法平均值最大值49717kN0102030405060020000400006000080000层间剪力(kN)STORYGM1YGM2YGM3YGM4YGM5YGM6YGM7YAVE珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析从宏观变形及内力的响应对比来看，结构在大震情况下，并没有进入很强的非线性阶段。PERFORM-3D自动计算结构能量耗散情况，如图14所示。能量耗散图也同样证明结构在7秒时逐渐进入弹塑性，其非线性能量与模态耗能的比例可知，结构处于弱非线性阶段。0.00E+001.00E+072.00E+073.00E+074.00E+07048121620时间(s)能量(J)动能应变能模态阻尼能αM阻尼能βK阻尼能粘滞阻尼器阻尼能非线性耗能珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析根据美国规程ASCE-41对于基于性能的抗震设计方法关于构件变形性能指标限值的规定，参考本工程构件的配筋构造及内力情况，得到性能指标限值如表所示。梁、柱及剪力墙构件转角性能指标GM3X为例，梁构件、柱构件与剪力墙构件的变形性能如图所示。从图中可见，构件变形响应与整体响应一样表明结构处于弱非线性状态。梁构件小部分处于LS及CP状态，柱及剪力墙大部分构件处于IO状态。构件的变形满足性能指标的要求。珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析小结：基于性能的设计方法的关键在于结构弹塑性分析方法，而基于纤维模型的弹塑性时程分析方法是目前最可靠且效率高的方法之一。PERFORM-3D软件能够建立结构弹塑性模型，完成基于性能的抗震设计；PERFORM-3D的科研性比较强，输入实际工程结构比较烦琐，通过对其进行ETABS导入及图形界面输入配筋的二次开发，使其能运用于实际工程当中。PERFORM-3D能提供大量的分析结果，包括整体响应，构件响应及能量耗散情况。其中，构件的转角变形测量结果与构件变形性能指标相对应，可用于评估构件的变形性能及工作状态。主要内容‡PERFORM-3D软件简介‡工程实例一：珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析‡工程实例二：中洲观光门架结构抗震性能分析‡工程实例三：盛德大厦改建工程抗震性能分析‡总结中洲观光门架结构抗震性能分析为了满足观光门架的特殊造型要求以及保证结构使用的安全性和舒适度，主塔楼