焦 柯 丁錫榮

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州 510010）

廣州亞運(yùn)會(huì)歷史展覽館結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析

焦 柯 丁錫榮

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州 510010）

本文對(duì)碗狀懸伸結(jié)構(gòu)的廣州亞運(yùn)會(huì)歷史展覽館進(jìn)行了罕遇地震下動(dòng)力彈塑性分析，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)了支撐上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的剪力墻筒受壓損傷嚴(yán)重，以及懸挑梁塑性屈服，是結(jié)構(gòu)的薄弱部位。優(yōu)化分析表明，在混凝土剪力墻兩側(cè)設(shè)置鋼板和增加連梁，可大大減少剪力墻筒的受壓損傷，滿足結(jié)構(gòu)的抗震性能要求。

動(dòng)力彈塑性分析；碗狀懸伸結(jié)構(gòu)；薄弱部位；抗震性能

1 前言

圖1是廣州亞運(yùn)會(huì)歷史展覽館結(jié)構(gòu)模型。比賽期間的使用面積為3 677m2，平面尺寸為56×35m，屋面高度25.8m。由觀眾平臺(tái)下的展廳，螺旋坡道展廳以及兩場(chǎng)館的屋頂結(jié)晶連接體三部分組成。碗狀懸伸結(jié)構(gòu)跨度33m，通過(guò)下部碗底托梁支承在核心筒，核心筒平面尺寸為8m×6.6m。本文對(duì)該場(chǎng)館進(jìn)行罕遇地震下的動(dòng)力彈塑性分析，目的一是驗(yàn)證彈性計(jì)算結(jié)果安全度，找出結(jié)構(gòu)的破壞模式，合理控制應(yīng)力、變形、穩(wěn)定等指標(biāo)；二是掌握結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性狀態(tài)的構(gòu)件數(shù)量、分布及發(fā)展情況，及各構(gòu)件承載力之間的相互關(guān)系，找出結(jié)構(gòu)的薄弱部位，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗倒塌能力，從而判斷結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)，并采取有針對(duì)性的抗震措施，保證結(jié)構(gòu)安全。

圖1 歷史展覽館結(jié)構(gòu)模型

2 分析軟件及計(jì)算模型

本文采用GSEPA＋ABAQUS進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。GSEPA是基于ABAQUS軟件開(kāi)發(fā)的面向建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性分析程序，利用ABAQUS作為其非線性求解器。GSEPA［2］可直接從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件讀取數(shù)據(jù)，包括構(gòu)件之間搭接關(guān)系、截面尺寸、材料信息、鋼筋布置等，生成用于ABAQUS計(jì)算的結(jié)構(gòu)模型及材料彈塑性本構(gòu)參數(shù)?；炷敛捎脧椝苄該p傷模型。混凝土材料進(jìn)入塑性狀態(tài)伴隨著剛度的降低，其剛度損傷分別由受拉損傷參數(shù)dt和受壓損傷參數(shù)dc來(lái)表達(dá)，dt和dc由混凝土材料進(jìn)入塑性狀態(tài)的程度決定，其數(shù)值參照混凝土材料單軸拉壓的滯回曲線給出?；炷劣?jì)算選用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010－2002）附錄C提供的受拉、受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系作為混凝土滯回曲線的骨架線，加上損傷參數(shù)構(gòu)成了一條完整的混凝土拉壓滯回曲線，如圖2所示。鋼材采用等向強(qiáng)化二折線模型，滯回曲線如圖3所示，其中強(qiáng)化段E’＝0.01E，采用Mises屈服準(zhǔn)則。梁柱構(gòu)件采用ABAQUS的B31梁?jiǎn)卧M，該單元采用纖維束模型，能同時(shí)考慮彎曲和軸力的耦合效應(yīng)；并且是Timoshenko梁，梁有剪切變形剛度。二維剪力墻和樓板構(gòu)件用彈塑性損傷模型的殼元S4R和S3R模擬。

圖2 混凝土拉壓剛度恢復(fù)示意圖

圖3 鋼材的拉壓滯回曲線

亞運(yùn)會(huì)歷史展覽館計(jì)算單元數(shù)超過(guò)10萬(wàn)，若直接利用ABAQUS／CAE三維建模，工作量非常大。采用GSEPA程序，實(shí)現(xiàn)了從GSSAP模型到ABAQUS模型的準(zhǔn)確快速轉(zhuǎn)換。模型的建立有以下步驟：

（1）利用已有的Midas模型導(dǎo)出EXCEL表數(shù)據(jù)；

（2）利用GSSAP讀取EXCEL數(shù)據(jù)，從而生成GSSAP結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行小震和中震下結(jié)構(gòu)彈性分析；

（3）利用GSEPA程序?qū)SSAP模型及鋼筋轉(zhuǎn)換成ABAQUS模型；

（4）特殊信息手工輔助修改，如改變支座端約束條件等。

3 地震波選取

按照抗震規(guī)范要求，罕遇地震彈塑性時(shí)程分析所選用的地震波需滿足以下頻譜特性：特征周期與場(chǎng)地特征接近；最大峰值符合規(guī)范要求；持續(xù)時(shí)間為結(jié)構(gòu)第一周期的5～10倍；時(shí)程波對(duì)應(yīng)的加速度反應(yīng)譜在結(jié)構(gòu)各周期上與規(guī)范反應(yīng)譜相差不超過(guò)20%。按照工程場(chǎng)地條件，選取了一組人工地震波和二組天然波（ELCENTRO波和LAN波）作為非線性動(dòng)力時(shí)程分析的地震輸入。采用三向波加載，主、次、豎向地震波峰值加速度比為1∶0.85∶0.65，罕遇地震最大加速度取220gal。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 整體計(jì)算結(jié)果

從表1整體計(jì)算結(jié)果看，Midas與ABAQUS計(jì)算結(jié)果基本吻合，說(shuō)明由GSEPA生成ABAQUS模型是準(zhǔn)確的。結(jié)構(gòu)對(duì)不同的地震波反應(yīng)強(qiáng)烈程度不一樣，對(duì)人工波反應(yīng)最為強(qiáng)烈，而對(duì)ELCENTRO波反應(yīng)相對(duì)較弱；三向人工波作用下，網(wǎng)殼豎向振動(dòng)效應(yīng)比水平方向更加明顯，主體結(jié)構(gòu)頂部最大豎向位移可達(dá)0.237m。

4.2 柱底反力

結(jié)構(gòu)在施加地震荷載前已施加豎向恒載和活載，圖4標(biāo)出地震作用下出現(xiàn)較大拉力的支座位置。支座91是出現(xiàn)最大拉力的點(diǎn)，其豎向反力時(shí)程見(jiàn)圖5，最大拉力8640KN。

4.3 核心筒損傷

圖6是混凝土核心筒不同時(shí)刻受壓損傷圖，從圖中可以看出，損傷首先從碗底和墻底處剪力墻開(kāi)始發(fā)展，碗底處剪力墻承受著碗底托梁傳來(lái)的剪力，應(yīng)力集中，所以損傷嚴(yán)重。

表1 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果匯總

圖4 出現(xiàn)受拉支座位置（圖中用圓圈標(biāo)出）

圖5 支座91拉力時(shí)程

圖6 剪力墻受壓損傷云圖

圖7 20秒時(shí)刻樓板受壓損傷圖

圖8 結(jié)構(gòu)薄弱部位

4.4 樓板損傷

圖7為20秒時(shí)刻混凝土樓板受壓損傷圖，從圖中可以看出，樓板損傷主要是集中在邊緣連接處，其他部位損傷較小。

4.5 鋼結(jié)構(gòu)薄弱部位

根據(jù)圖8鋼結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變可發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，分別是與剪力墻相連屋面桁架、幕墻作用處屋面桁架、碗底托梁。

5 結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

5.1 核心筒剪力墻優(yōu)化

核心筒作為整個(gè)結(jié)構(gòu)主要的支撐構(gòu)件，大震下不允許出現(xiàn)較大的損傷，為了減小混凝土剪力墻受壓受拉損傷的范圍和程度，采取了以下兩項(xiàng)措施：

（1）在核心筒墻體植入厚度為25mm鋼板，增加剪力墻抗彎和抗剪承載力。

（2）在碗底處增加墻體（連梁），起耗能作用。

從圖9混凝土受拉損傷對(duì)比中可以看出，植入鋼板有效地減小了剪力墻混凝土受拉損傷的范圍和程度。增加連接墻體后，結(jié)構(gòu)損傷集中在連接處墻體，起到耗能作用。模型3相對(duì)模型1剛度有所增加，并且在地震作用下?lián)p傷減少，使得碗體懸挑端豎向位移明顯減小。圖10是模型3和模型1懸挑端頂點(diǎn)（位置見(jiàn)圖1）Z向位移時(shí)程曲線，從圖中看出，模型1頂點(diǎn)最大位移值為－0.192 5，模型3最大位移值為－0.112 3，減少41.7%。

圖9 核心筒混凝土受拉損傷對(duì)比

圖10 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)Z向位移

5.2 碗底托梁優(yōu)化

小震下碗底支撐最大組合應(yīng)力為174MPa（見(jiàn)圖11），相當(dāng)于設(shè)計(jì)強(qiáng)度（295MPa）的59%，滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)大震下動(dòng)力彈塑性分析，由于部分構(gòu)件屈服和內(nèi)力重分布，到20秒時(shí)刻，結(jié)構(gòu)碗底兩邊托梁進(jìn)入塑性，塑性應(yīng)變值為4.3e－8，屬輕微型。由于碗底支撐上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，是重要的受力構(gòu)件，不允許發(fā)生塑性應(yīng)變，必須對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)和優(yōu)化。加大碗底托梁在核心筒連接處截面，箱型截面尺寸400×800×20×20改為400×800×30×30，減小截面應(yīng)力。優(yōu)化后，碗底托梁最大應(yīng)力小于345MPa，處于彈性工作狀態(tài)。

6 罕遇地震作用后結(jié)構(gòu)特征周期

結(jié)構(gòu)在考慮重力二階效應(yīng)和大變形的情況下，在完成動(dòng)力彈塑性分析后，最終仍保持直立，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。結(jié)構(gòu)在進(jìn)行彈塑性分析前，前3個(gè)周期為T1＝0.451 2，T2＝0.440 2，T3＝0.364 5，彈塑性分析后前三周期為T1＝0.499 7，T2＝0.463 6，T3＝0.385 4，第一周期增大10.7%，說(shuō)明大震后整體剛度退化不大，核心筒剪力墻及豎向柱損傷較小。

7 小結(jié)

（1）廣州亞運(yùn)會(huì)歷史展覽館結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷了三向地震波作用后，該結(jié)構(gòu)只有很少的構(gòu)件進(jìn)入塑性，能承受結(jié)構(gòu)本身的自重而豎立不倒，實(shí)現(xiàn)了“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

（2）對(duì)比三組地震波計(jì)算結(jié)果，振動(dòng)效應(yīng)和出現(xiàn)塑性應(yīng)變的位置基本相同，塑性應(yīng)變均很小，沒(méi)有迅速發(fā)展的趨勢(shì)。結(jié)構(gòu)對(duì)人工波反應(yīng)最為強(qiáng)烈，而對(duì)ELCENTRO波反應(yīng)相對(duì)較弱。鋼結(jié)構(gòu)薄弱部位分別是與剪力墻相連屋面桁架、幕墻作用處屋面桁架、碗底托梁。

（3）地震作用下支座最大豎向拉力為8 640KN，出現(xiàn)在角部支座位置。

（4）三向人工波作用下，網(wǎng)殼豎向振動(dòng)效應(yīng)比水平方向更加明顯，主體結(jié)構(gòu)頂部最大豎向位移達(dá)0.237m。

（5）在核心筒剪力墻植入鋼板，有效減小了損傷程度和范圍，在地震作用下連接處墻體起到耗能作用而首先破壞，其他部位受壓損傷相對(duì)較小。

（6）混凝土樓板受壓損傷較小，損傷主要是集中在邊緣連接處，受拉損傷相對(duì)較大。

圖11 碗底支撐最大組合應(yīng)力

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011－2008）［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］焦柯，賴?guó)櫫⒌?動(dòng)力彈塑性分析軟件GSEPA在高層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用.第二十屆全國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2008.

［3］李志山，容柏生.高層建筑結(jié)構(gòu)在罕遇地震影響下的彈塑性時(shí)程分析研究.建筑結(jié)構(gòu)，Vol.36（S1）.2006.

The Elastic-plastic Dynamic Analysis of Asian Games Historical Exhibition Center in GuangZhou

Jiao Ke，Ding Xirong
（The Architectural Design＆Research Institute of Guangdong Province，Guangzhou 510010，China）

Asian Games historical exhibition Center in Guangzhou is a bowl shape suspension structure.The elastic-plastic dynamic analysis of its structure model under strong earthquake is carried out in this article.The analysis results show that the serious compressive damage shear-wall tube which supports the upper latticed shells and the plastic yield cantilevered beam are the weak parts of the structure.The optimization analysis shows that installing steel plate along two sides of concrete shear-wall and adding the coupling beam between two wall branches can significantly reduce the compressive damage of shear-wall tube and meet the requirements of the seismic performance.

The Elastic-plastic Dynamic Analysis；Bowl Shape Suspension Structure；Weak Parts；Seismic Performance

TU313

A

1674－7461（2010）04－0066－05

焦柯（1968－），男，教授級(jí)高級(jí)工程師。主要從事結(jié)構(gòu)分析軟件開(kāi)發(fā)和復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)分析工作。E-mail：gscad＠21cn.com