PERFORM-3D在超限高层建筑结构抗震分析中的应用_陈学伟.pdf

PERFORMPERFORM-3D3D在超限高层建筑结构在超限高层建筑结构PERFORMPERFORM 3D3D在超限高层建筑结构在超限高层建筑结构抗震分析中的应用抗震分析中的应用主讲陈学伟主讲：陈学伟导师：韩小雷教授，华南理工大学土木与交通学院博士研究生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主要内容主要内容主要内容?PERFORM-3D软件简介?PERFORM 3D建模技巧建模辅助程序ETP的开发?PERFORM-3D建模技巧：建模辅助程序ETP的开发，?PERFORM-3D建模技巧：导入模型的方法介绍?PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程?PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程，?PERFORM-3D工程应用：粘滞阻尼器减振工程?PERFORM-3D研究应用：足尺钢框架比赛，?PERFORM 3D研究应用：足尺钢框架比赛，?PERFORM-3D研究应用：剪力墙单元及性能指标研究总结总结PERFORM-3D的软件简介PERFORM 3D的软件简介PERFORM-3D(Nonlinear Analysis and Peroformance Assessment f3D Stt)三维结构非线性分析与性能评估软件它的前for 3D Structure)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Prof Granham H Powell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 PowellG.H.PowellPERFORM-3D的单元模型PERFORM 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有以特点基平截假定将梁柱的内力 变形关系转化成用纤维模型。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；约束混凝土约束混凝土顶部钢筋非约束混凝土约束混凝土非约束混凝土约束混凝土纵向钢筋非约束混凝土端部区配筋非端部区配筋顶部钢筋非约束混凝土约束混凝土非约束混凝土约束混凝土纵向钢筋非约束混凝土端部区配筋非端部区配筋底部钢筋底部钢筋PERFORM-3D的单元模型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梁单度高算度效率基构梁单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效剪本构拟剪墙剪效剪弯效应，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构建构筋复塑够持较高构，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 个参数确定与截形状和箍筋的配置有关根据模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。主要内容主要内容主要内容主要内容?PERFORM-3D软件简介?PERFORM 3D建模技巧建模辅助程序ETP的开发?PERFORM-3D建模技巧：建模辅助程序ETP的开发，?PERFORM-3D建模技巧：导入模型的方法介绍?PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程?PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程，?PERFORM-3D工程应用：粘滞阻尼器减振工程?PERFORM-3D研究应用：足尺钢框架比赛，?PERFORM 3D研究应用：足尺钢框架比赛，?PERFORM-3D研究应用：剪力墙单元及性能指标研究总结总结建模辅助程序ETP的开发建模辅助程序ETP的开发ETP程序的工作分为四部分：?（1）结点信息、支座信息、刚性楼板、质量源信息等，Perform-3D与?（1）结点信息、支座信息、刚性楼板、质量源信息等，Perform 3D与ETABS的格式一致，直接自动转换；?（2）ETABS的荷载信息、线性材料信息与Perform-3D的格式不同。通过转换使线性材料信息转换为非线性材料信息。Perform-3D的线荷载是以样式分类换使线性材料信息转换为非线性材料信息。Perform 3D的线荷载是以样式分类施加给杆件的，与ETABS不同，ETABS是各杆件独立的荷载信息，因此需要转换；?（3）ETABS只提供单元几何信息，截面尺寸，需要在ETP输入界面输入配?（3）ETABS只提供单元几何信息，截面尺寸，需要在ETP输入界面输入配筋信息，才能够转换为纤维截面信息、构件组装信息及构件的变形性能指标。?（4）转换以上所有结构的弹塑性信息以后，ETP生成Perform-3D的数据格式完成了弹塑性分析模型的建模其中已包括了纤维模型评估变形的性式，完成了弹塑性分析模型的建模，其中已包括了纤维模型、评估变形的性能指标限值。建模辅助程序ETP的开发建模辅助程序ETP的开发建模辅助程序ETP的开发建模辅助程序ETP的开发ETP程序不但提高PERFORM-3D非线性模型的建模速度与准确性，又可以保证结构计算模型的致性结构配筋信息可采用或的一致性。结构配筋信息可采用ETABS或PKPM小震计算的配筋量，并结合抗震规范构造要求得到的初步配筋结果，再通过前处理的图形界面进行细化修改。ETP程序的自动归并图形界面进行细化修改。ETP程序的自动归并功能根据构件截面属性、配筋、构件长度自动归并纤维截面类型及构件组装类型，减小非线性模型的复杂性，提高计算效率。结构采用刚性楼板假设及楼层集中质量源性楼板假设及楼层集中质量源。ETP程序将本文制定的剪力墙、连梁构件变形性能指标算法嵌入P f3D中为基于性能性能指标算法嵌入Perform-3D中，为基于性能的抗震设计方法提供了实践的工具。PERFORM-3D的建模方法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主要内容主要内容主要内容主要内容?PERFORM-3D软件简介?PERFORM 3D建模技巧建模辅助程序ETP的开发?PERFORM-3D建模技巧：建模辅助程序ETP的开发，?PERFORM-3D建模技巧：导入模型的小工具介绍?PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程?PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程，?PERFORM-3D工程应用：粘滞阻尼器减振工程?PERFORM-3D研究应用：足尺钢框架比赛，?PERFORM 3D研究应用：足尺钢框架比赛，?PERFORM-3D研究应用：剪力墙单元及性能指标研究总结总结导入模型小工具介绍导入模型小工具介绍目前，ETP程序主要采用纤维模型来模拟整体结构的弹塑性行为，没有采用塑性铰单元。塑性铰单元涉及的批量截面分析将在下一步考虑。对于手工建模，一般采用导入与手工设置相结合的方法用导入与手工设置相结合的方法，那么就会用到一些小程序，如：1混凝土本构输入小程序2结构文本导入小程序3梁、柱、剪力墙输入小程序等等均在下载混凝土本构模型导入程序混凝土本构模型导入程序PERFORM-concrete是一个导入混凝土本构模型参数的工具，通过面向对象语言编制本构曲线采用混凝土规录附录公编制。本构曲线采用混凝土规录附录公式计算所得。采用五折线点描绘后，得出PERFORM-3D程序中对应输入的参数。混凝土本构模型导入程序混凝土本构模型导入程序结构文本导入程序结构文本导入程序PERFORM-3D具有几何数据的导入功能，包括结点，单元几何信息，质量与结点括结点单元几何信质量与结点荷载导入功能，结合该功能，开发一个转换ETABS数据变成相对应的导入文本格式的小程序。程序主要读取ETABS模型生成的*s2k文件将其结点几何信息型生成的*.s2k文件，将其结点几何信息，单元连接结点号，结点质量及结点荷载导出文本，其中单元可按截面分类输入，再分类导入，这样可以按类来赋予截面。主要内容主要内容主要内容主要内容?PERFORM-3D软件简介?PERFORM 3D建模技巧建模辅助程序ETP的开发?PERFORM-3D建模技巧：建模辅助程序ETP的开发，?PERFORM-3D建模技巧：导入模型的小工具介绍?PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程?PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程，?PERFORM-3D工程应用：粘滞阻尼器减振工程?PERFORM-3D研究应用：足尺钢框架比赛，?PERFORM 3D研究应用：足尺钢框架比赛，?PERFORM-3D研究应用：剪力墙单元及性能指标研究总结总结珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析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，采用组双向天然波样本进行试算将0.9GM1 人工波用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0.60.75响系数_人波GM2_人工波GM3_San Fernando 8244 Origon BlvdGM4_Hollywood Strorage P.E.GM5_Bonds Corner EI Centro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0.30.45地震影响GM6_Taft Lincoln SchoolGM7_Loma Prieta Oackland Outer Wharf规范反应谱平均值的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。00.150246810周期T(s)周期T(s)珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析结构的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，梁单元数为9021，柱单元数为956，剪力墙单元数为4171。导入PERFORM-3D后结构模型三维图导入PERFORM 3D后结构模型三维图珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析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5001000m)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-5000顶部位移(mm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 秒以后弹塑性-100005101520时间t(s)弹塑性分析弹性分析CQC法8.00E+06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0.00E+004.00E+068.00E 06覆弯矩(kNm)构发生明显的弹塑性损伤。-8.00E+06-4.00E+0605101520基底倾覆弹塑性分析弹性分析CQC法时间t(s)珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析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1/29960Y主向层间位移角曲线图时程分析法平均值最大值1/36960X主向层间剪力曲线图时程分析法平均值最大值43787kN60Y主向层间剪力曲线图时程分析法平均值最大值49717kN604050604050604050GM1XGM2XGM3XGM4XGM5XGM6XGM7XAVE4050GM1YGM2YGM3YGM4YGM5YGM6YGM7YAVE2030STORYGM1XGM2XGM3XGM4XGM5XGM6X2030STORYGM1YGM2YGM3YGM4YGM5YGM6Y2030STORYAVE2030STORYAVE01000.0020.0040.006层间位移角(rad)GM6XGM7XAVE01000.0020.0040.006层间位移角(rad)GM6YGM7YAVE0100200004000060000层间剪力(kN)010020000400006000080000层间剪力(kN)珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析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4.00E+07动能强的非线性阶段。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2.00E+073.00E+07能量(J)应变能模态阻尼能M阻尼能K阻尼能粘滞阻尼器阻尼能在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+07能非线性耗能048121620时间(s)珠海天朗海峰超高层结构抗震性能分析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程构件的配筋构造值的规定，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。盛德大厦改建工程抗震性能分析盛德大厦改建工程抗震性能分析广州盛德大厦超限高层建筑为一改建工程，原结构设计为地下2层，地上32层框架剪力墙结构已建至地上 层长宽约结构，已建至地上4层，长宽约36m30m，结构已建部分设计依据主要为国家89系列结构规范，如图所示。现在原已建结构的基础上进行新鉴定和改建设计，为满足现行国家02系列结新鉴定和改建设计，为满足现行国家02系列结构规范使用要求，改建方案为部分框支剪力墙结构体系，结构设计年限50年，长宽约36m30m，主体结构地下2层，地上裙房6层，主楼37层于第7层通过梁式转换主塔楼结构主楼37层，于第7层通过梁式转换，主塔楼结构高度为119.0m，属于B类高度超高层建筑盛德大厦改建工程抗震性能分析盛德大厦改建工程抗震性能分析图 2 转换层结构布置图图 3 标准层结构布置图盛德大厦改建工程抗震性能分析盛德大厦改建工程抗震性能分析考虑到结构的重要性，采用美国CSI公司研究的抗震设计非线性软件PERFORM-3D进行弹塑性时程分析推覆分析其程分析结果得到广大程界的认及推覆分析。其工程分析结果得到广大工程界的认可，但前后处理不适宜复杂的高层结构的建模，笔者开发了PERFORM-3D复杂结构建模前处理程序ETPV1.1程序。ETP V1.1程序。ETP能够详细读取ETABS或SAP2000程序的几何模型、构件截面及弹性材料信息，还能够提供图形界面实现很方便的输入梁、柱及剪力墙的截面配筋与材料非线性设置再经过数据处理导入PERFORM 3D程非线性设置，再经过数据处理导入PERFORM-3D程序中，从而实现复杂高层结构的非线性模型的建模。ETP的界面如图所示。盛德大厦改建工程抗震性能分析盛德大厦改建工程抗震性能分析为了真实考虑结构实配钢筋的影响，整个弹塑性分析模型的钢筋按结构初步设计配筋进行输入。本工程采用 条地震波分别按 度度进行双向弹塑程采用7条地震波，分别按0度、90度进行双向弹塑性时程分析，并以平均值结果进行结构抗震性能评估。盛德大厦改建工程抗震性能分析盛德大厦改建工程抗震性能分析根据计算结果分析可知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及状性状态。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，如图10所示，典型构件的变形满足性能指标的要求。足性能指标的要求。该结构在大震作用下仍处于弱非线性状态的原因是改建后方案对结构规定了更为严格的抗震性能指标，并且对原已建部分根据现行规范进行了加强原已建部分根据现行规范进行了加强改造，其配筋量可实现中震不屈服。因此，结构在7度烈度区的罕遇地震作用下，不出现很明显的非线性变形，用下，不出现很明显的非线性变形，处于弱非线性阶段。盛德大厦改建工程抗震性能分析盛德大厦改建工程抗震性能分析基于该弹塑性分析模型，在倒三角形荷载作用下进行了推覆分析作为弹塑性时程分析的参考结构 方向推覆能6000070000性时程分析的参考，结构X方向推覆能力谱验算结果如图11所示。能力曲线与需求谱曲线的交点坐标：38700kN，397.5mm；需求层间位移角：1/202；400005000060000底剪力/kN397.5mm；需求层间位移角：1/202；与需求点相对应的加载步/总加截步：20/100。100002000030000基底005001000150020002500顶部位移/mm能力曲线需求曲线能力曲线需求曲线盛德大厦改建工程抗震性能分析盛德大厦改建工程抗震性能分析X主向楼层剪力曲线图时程分析平均值最大值50975kN推覆分析最大值37398kN40X主向层间位移角曲线图时程分析平均值最大值1/294推覆分析最大值1/21440分析结果表明大震作用下的323640GM1GM2GM3323640分析结果表明大震作用下的结构变形性能满足需求谱需求，结构达到大震作用下的抗倒塌性能目标。202428楼层GM4GM5GM6GM7202428楼层GM1GM2GM3GM4抗倒塌性能目标结构整体弹塑性时程分析及推覆分析的部分计算指标对比如图所示。上述两种分析结果的对比表81216平均值推覆值81216GM5GM6GM7平均值上述两种分析结果的对比表明结构在推覆分析和弹塑性时程分析下的整体变化趋势一致及对应数值相近，即大04020000400006000080000楼层剪力/kN040.00%0.20%0.40%0.60%0.80%层间位移角/平均值推覆值致及对应数值相近即大震作用下的结构整体弹塑性时程分析结果是可信的。楼层剪力/kN层间位移角/rad主要内容主要内容主要内容主要内容?PERFORM-3D软件简介?PERFORM 3D建模技巧建模辅助程序ETP的开发?PERFORM-3D建模技巧：建模辅助程序ETP的开发，?PERFORM-3D建模技巧：导入模型的小工具介绍?PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程?PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程，?PERFORM-3D工程应用：粘滞阻尼器减振工程?PERFORM-3D研究应用：足尺钢框架比赛，?PERFORM 3D研究应用：足尺钢框架比赛，?PERFORM-3D研究应用：剪力墙单元及性能指标研究总结总结中洲观光门架结构抗震性能分析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，主塔楼采用带粘滞阻尼器的钢筋混凝土框架120m跨高空钢桁架连廊跨高空钢桁架连廊楼采用带粘滞阻尼器的钢筋混凝土框架-剪力墙结构，120m大跨度高空连廊采用带粘滞阻尼器的钢桁架结构，90m长（分两跨36m和54m）低空连廊采用钢宽宽10m，高，高9.5m86.5m高右塔楼高右塔楼带粘滞阻尼器钢结构桁架粘滞阻尼器粘滞阻尼器带粘滞阻尼器钢结构桁架粘滞阻尼器粘滞阻尼器（分两跨36m和54m）低空连廊采用钢桁架结构。两边主塔楼顶部设置了劲性钢筋混凝土筒体。因此结构在顶部出现刚度及承载力突变情况且由于主塔楼顶部设置劲86.5m高左塔楼高左塔楼86.5m高右塔楼高右塔楼带粘滞阻尼器的钢筋混凝土框架带粘滞阻尼器的钢筋混凝土框架-剪力墙结构剪力墙结构力突变情况。且由于主塔楼顶部设置劲性钢筋混凝土筒体及其大跨度钢桁架，导致其与相应下一层发生质量突变。结构左塔楼最大高宽比约8.0，结构右塔低空钢结构连廊低空钢结构连廊86.5m高左塔楼高左塔楼带粘滞阻尼器的钢筋混凝土框架带粘滞阻尼器的钢筋混凝土框架-剪力墙结构粘滞阻尼器剪力墙结构粘滞阻尼器结构左塔楼最大高宽比约8.0，结构右塔楼最大高宽比约8.5，均超出规范规定A级高度钢筋混凝土结构5.0的要求。中洲观光门架结构抗震性能分析中洲观光门架结构抗震性能分析针对结构超限以及不规则情况，结构分析中采用了基于性能的抗震设计方法。根据延性(非延性)构件的性能水平的阶段把结构的性能水平分为以广义力广义力广义力广义力的性能水平的阶段，可把结构的性能水平分为以下4个阶段：充分运行阶段（简称OP）、基本运行阶段（IO）、生命安全阶段（LS）、接近倒塌阶段（CP）。OP IO LS CP广义位移广义位移OP IO LS CP广义位移广义位移（CP）。根据该工程结构各部位的重要程度，分别设定了三水准下的抗震性能目标，见表1。可以看出，由于顶部加强区落地剪力墙以及连廊钢桁架等构件的重要性其性能目标高于其他构件桁架等构件的重要性，其性能目标高于其他构件。为确保抗震性能目标的实现，采用不同软件进行了弹性和弹塑性分析。依据美国规程ASCE-41中对于基于性能的抗震设计方依据美国规程ASCE 41中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，得到主要构件变形性能指标限值如表2所示。中洲观光门架结构抗震性能分析中洲观光门架结构抗震性能分析结构在小震及中震作用下，通过承载力验算可知构件处于弹性工作状态，因此其静力分析动力分析均采用弹性模型采用力分析及动力分析均采用弹性模型。采用PKPM系列的2007年版SATWE和美国CSI公司的ETABS 9.2.0中文版进行计算。结构在大震作用下，部分构件进入弹塑性结构在大震作用下，部分构件进入弹塑性工作状态，因此计算软件采用基于纤维模型理论的结构弹塑性分析软件PERFORM-3D V4.0.3。为了解塔楼结构的抗侧能力，对两个塔楼进行了静力弹塑性分析对整对两个塔楼进行了静力弹塑性分析。对整体结构进行动力弹塑性分析，评估结构及构件是否满足性能指标。为了验证阻尼器在各水准地震作用下的功为了验证阻尼器在各水准地震作用下的功效，在动力分析中，分别建立设置阻尼器与未设置阻尼器的模型进行分析对比。中洲观光门架结构抗震性能分析中洲观光门架结构抗震性能分析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。由图中可见，在场地卓越周期及结构自振周期0.70.8GM1_人工波GM2_人工波越周期Tg=0.35s及结构自振周期T1=2.46s附近，规范反应谱与地震波反应谱平均值吻合程度高，符合抗震规范对地震波选取的要求。由于结构体型的特殊性，其高空0.40.50.6响系数GM3_TakatoriGM4_EI CentroGM5_HollywoodGM6_Loma PrietaGM7_TaftAVE规范反应谱的要求。由于结构体型的特殊性，其高空桁架必须考虑竖向地震作用，因此选取的地震波均按三向地震输入。地震波分别采用了0(X方向)，90度(Y方向)，45，135等4个方向进行多角度地震输入以0 10.20.30.4地震影响规范反应谱135等4个方向进行多角度地震输入，以更好地考察结构的抗震性能。00.10246810周期T/s中洲观光门架结构抗震性能分析中洲观光门架结构抗震性能分析中洲观光门架结构抗震性能分析中洲观光门架结构抗震性能分析静力弹塑性分析结果静力弹塑性分析结果对两主塔楼分别进行静力弹塑性分析，以定性把握塔楼结构的抗侧承载力性能推覆分析时不考虑塔楼结构的抗侧承载力性能。推覆分析时，不考虑阻尼器的贡献，且两主塔楼均去除高空及低空钢桁架，但在主塔楼顶部施加高空桁架传递至塔楼的竖向荷载。推覆荷载分布采用倒三角分布模式，分析向荷载。推覆荷载分布采用倒三角分布模式，分析后得到的顶部位移与基底剪力的曲线如图17所示。通过对比分析可得，左塔楼结构的屈服点的基底剪力Vyield约为12700kN，大震弹性分析得到左塔楼结构的基底剪力V 约为10301kNV i ld V 从宏观上构的基底剪力Vr约为10301kN。VyieldVr从宏观上表明左塔楼结构具有较好的结构抗侧承载力，满足左塔楼结构在大震作用下的抗侧需求。右塔楼结构的屈服点的基底剪力Vyield约为20000kN，大震弹性的屈服点的基底剪力Vyield约为20000kN，大震弹性分析得到右塔楼结构的基底剪Vr力约为9801kN。VyieldVr，从宏观上表明右塔楼结构具有较好的结构抗侧承载力，满足右塔楼结构在大震作用下的抗侧需求侧需求。中洲观光门架结构抗震性能分析中洲观光门架结构抗震性能分析同时通过提取构件在时程分析中的最大内力值，可以验证顶部加强区以非顶部加强区的墙肢以强区以及非顶部加强区的墙肢以及连梁，框架柱的受弯、受剪承载力分别满足性能目标。对可屈服构件进行变形验算,以对可屈服构件进行变形验算,以GM3Y为例大震作用下结构的剪力墙肢的变形性能状态如图（a）所示,由分析结果可以得到，剪力墙受弯薄弱部位主要集中在主塔楼受弯薄弱部位主要集中在主塔楼的底部。左塔底层剪力墙抗弯变形处于LS状态，L形墙肢处于CP状态为最簿弱部位。剪力墙受弯状态为最簿弱部位。剪力墙受弯变形性能基本处于大震有限屈服状态。OPIOLSCP中洲观光门架结构抗震性能分析中洲观光门架结构抗震性能分析框架柱基本处于OP状态，与塔楼相接钢撑进入LS状态，低空连廊的钢柱及钢撑进入IO状态，如图（b）所示。框架梁受弯薄弱部位主要集中在左塔楼中下部312层，如图（c）。框架梁受弯变形最大值接近状态限值框架梁受弯变形性能基本处于大震有限破坏状态梁受弯变形最大值接近LS状态限值。框架梁受弯变形性能基本处于大震有限破坏状态。可以看出可屈服构件的变形性能基本满足大震作用下设定的性能目标。中洲观光门架结构抗震性能分析中洲观光门架结构抗震性能分析由分析结果可见，结构顶部加强剪力墙区以及以下一层，在大震作用下的地震响应均在设定的性能目标以内关键连接部位包括高空桁架与塔1.41.6动能应变能模态阻尼能能目标以内。关键连接部位，包括高空桁架与塔楼连接的楼板加强区，塔楼受拉剪力墙肢的损伤程度在接受的范围之内。高空钢桁架构件无应力超限，钢桁架构件承载力均满足大震不屈服工况0.40.60.811.2能量/1010J模态阻尼能质量阻尼能刚度阻尼能阻尼器耗能非线性耗能超限，钢桁架构件承载力均满足大震不屈服工况下的内力需求，钢桁架构件处于大震不屈服状态。钢桁架未出现失稳应力超限，满足稳定性要求。在大震作用下结构的整体耗能情况（以GM3Y为例）如图所示从图中可以看出未设置阻尼器时00.202468101214161820时间t/s例）如图所示：从图中可以看出未设置阻尼器时，结构非线性耗能占总体耗能的8.5%，设置阻尼器后，结构非线性耗能占总体耗能的3.0%，阻尼器耗能占总体耗能的23%，显示阻尼器对提高结构0 811.21.41.61010J动能应变能模态阻尼能质量阻尼能刚度阻尼能阻尼器耗能耗能占总体耗能的23%，显示阻尼器对提高结构减振的作用。00.20.40.60.802468101214161820能量/阻尼器耗能非线性耗能02468101214161820时间t/s汶川医院抗震性能分析汶川医院抗震性能分析结构首层平面布置图如图2所示，在3处弧形楼梯间、电梯间的柱截面通长为500500其余所有柱截面在12层为500500；其余所有柱截面在1、2层为800800，通过变截面后，在3、4层为700700；顶部梯屋面层柱截面为300400，局部支撑在下层主梁上。楼盖采用现浇钢筋混凝土梁板式结构。主梁截面多数为350750，首层门厅开洞处局部为350800和300900；次梁截面多数为250600。各层楼板厚110，局部厚120，各层楼板厚局部厚顶部梯屋面厚100。板、梁、柱均采用C30混凝土，与阻尼器相接的柱采用C35，并额外加强构造。汶川医院抗震性能分析汶川医院抗震性能分析汶川医院抗震性能分析汶川医院抗震性能分析结构首层平面布置图如图2所示，在3处弧形楼梯间、电梯间的柱截面通长为500500其余所有柱截面在12层为500500；其余所有柱截面在1、2层为800800，通过变截面后，在3、4层为700700；顶部梯屋面层柱截面为300400，局部支撑在下层主梁上。楼盖采用现浇钢筋混凝土梁板式结构。主梁截面多数为350750，首层门厅开洞处局部为350800和300900；次梁截面多数为250600。各层楼板厚110，局部厚120，各层楼板厚局部厚顶部梯屋面厚100。板、梁、柱均采用C30混凝土，与阻尼器相接的柱采用C35，并额外加强构造。汶川医院抗震性能分析汶川医院抗震性能分析汶川医院抗震性能分析汶川医院抗震性能分析汶川医院抗震性能分析汶川医院抗震性能分析主要内容主要内容主要内容主要内容?PERFORM-3D软件简介?PERFORM 3D建模技巧建模辅助程序ETP的开发?PERFORM-3D建模技巧：建模辅助程序ETP的开发，?PERFORM-3D建模技巧：导入模型的小工具介绍?PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程?PERFORM-3D工程应用：常规高层建筑工程，?PERFORM-3D工程应用：粘滞阻尼器减振工程?PERFORM-3D研究应用：足尺钢框架比赛，?PERFORM 3D研究应用：足尺钢框架比赛，?PERFORM-3D研究应用：剪力墙单元及性能指标研究总结总结结构弹塑性分析软件结构弹塑性分析软件足尺钢框架比赛2007年9月27日在目前世界上最大的模拟地震振动台（日本E-Defense）上进行了足尺钢框架振动台试验并举行了2007年度预测钢框架振动台试验，并举行了2007年度预测性分析比赛(Blind Analysis Contest)。该比赛由第14届世界地震工程会议（14WCEE）与日本防灾科学技术研究所兵库抗震工学研究合中心联合举办，分四个组别：3D科研组、3D工程组、2D科研组及2D工程组，由日本、美国、中国、新西兰、意大利和英国等多个国家共47个队伍参加，代表了工程抗震结构国家共个队参代表了程抗震结构非线性领域的最新研究和应用水平。该比赛要求对一足尺钢框架结构进行振动台试验预测性分析，提交分析结果(包括结构各种地震响应及倒塌时间)并与振动台试验结果进Blind Analysis Contest足尺振动台试验模型震响应及倒塌时间)并与振动台试验结果进行对比，以结果的准确性作为评判的标准。本文作者参加了这次比赛，并荣获3D科研组第三名。结构弹塑性分析软件结构弹塑性分析软件?OpenSEES倒塌瞬间快照局部屈曲现象OpenSEES后处理程序的变形截图OpenSEES后处理的轴力变化全过程动画足尺钢框架比赛足尺钢框架比赛采用纤维单元模型和塑性铰单元模型对一个四层足尺钢框架振动台试验进行模拟分析，在三维空间非线性分析程序中进行静力维空间非线性分析程序Perform-3D中进行静力和动力非线性分析，比较分析结果，并与试验结果对比，以研究两种模型应用于钢框架整体结构非线性分析的计算精度。并讨论了纤维单结构非线性分析的计算精度。并讨论了纤维单元模型截面纤维的划分、塑性区长度的取值等问题；最后对采用组合梁的整体结构模型进行了动力非线性分析。结果表明Perform-3D程序的纤维单元模型和塑性铰单元模型用于计算我的纤维单元模型和塑性铰单元模型用于计算我国规范规定的7度和8度地震作用的多层钢框架结构，其结果是真实可靠的，而且计算结果偏安全。安全。足尺钢框架比赛足尺钢框架比赛足尺钢框架比赛足尺钢框架比赛在塑性铰模型中，塑性铰单元采用曲率型塑性区模型，需定义由塑性理论确定的F-D关系。利用美国公司开发的利用美国Imbsem Software Systems公司开发的基于纤维单元的构件弹塑性分析程序XTRACT V3.0.1进行构件弹塑性分析、计算截面承载力，确定塑性铰截面的参数。根据得到的M-关系、确定塑性铰截面的参数。根据得到的M 关系、P-关系、P-M或P-M2-M3关系(如图5所示)，考虑强度退化和刚度退化，在Perform-3D中定义构件屈服面的形状。足尺钢框架比赛足尺钢框架比赛足尺钢框架比赛足尺钢框架比赛足尺钢框架比赛足尺钢框架比赛足尺钢框架比赛足尺钢框架比赛(1)纤维模型和塑性铰模型在0.4倍和0.6倍Takatori地震波激励作用下的结构响应与足尺钢框架振动台试验接近，能较好的模拟结构在还未进入强非线性阶段的非线性行为可以认为纤维模型和塑性铰模型用于计算小于我国规范规定的 度和 度地行为。可以认为，纤维模型和塑性铰模型用于计算小于我国规范规定的7度和8度地震作用的多层钢框架结构，其结果是真实可靠的。(2)在模型建立方面，纤维单元的建立只需输入材料的本构曲线，而塑性铰单元需要输入塑性铰的本构曲线。材料的本构关系较容易获得，而塑性铰的本构则较难确要输入塑性铰的本构曲线。材料的本构关系较容易获得，而塑性铰的本构则较难确定，需通过构件试验调整模型参数，才能较好的模拟整体结构的非线性反应。因此，纤维模型比塑性铰模型的建立更为简单方便。(3)通过基于构件试验结果进行构件层次的宏观模型校核与调整，再将调整过的的宏观单元应用于整体分析能准确的模拟结构的弹塑性行为因此基于构件试验宏观单元应用于整体分析，能准确的模拟结构的弹塑性行为。因此，基于构件试验结果进行构件层次的宏观模型校核与调整对于准确地分析整体结构相当重要。(4)纤维模型对柱塑性区长度的取值不敏感。塑性铰模型的柱塑性区长度取值对结构的非线性反应结果有一定的影响，塑性区长度取为1.0h时，结构首层层间位移角构的非线性反应结果有定的影响，塑性区长度取为1.0h时，结构首层层间位移角响应比塑性区长度取为0.5h时略大。(5)采用组合梁的结构模型，由于梁柱刚度比的增加使得结构首层柱底变形增大，并加大了P-效应，从而导致层间位移明显增大。纤维单元和塑性