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摘要：本文主要对深圳某建筑工程结构动力弹塑性时程情况进行了分析，包括弹塑性分析方法、单元类型及有限元模型、抗震情况等，最后对该工程的总体抗震性能作出评价，并提出建议。
关键词：结构; 动力弹塑性; 时程分析; ABAQUS
Abstract: this paper mainly to the shenzhen a building engineering structure dynamic elastic-plastic time history analysis, including elasto-plastic analysis method, the unit type and finite element model, such as seismic situation, and finally, the engineering of the overall seismic performance evaluation to make, and puts forward some Suggestions.
Keywords: structure; Dynamic elastic-plastic; Time history analysis; ABAQUS
中圖分类号：TU3文献标识码：A 文章编号：
工程概况
该项目位于深圳地铁3号线六约站原检修主厂房的上部，为12层的保障性住房。原检修主厂房为纯框架结构水平向跨度为12m，竖向跨度为18m及21m。层高12.3m，基础为人工挖孔桩。本次设计是在原有已完工建筑基础上进行。先设一层转换层，层高7.2m，然后是塔楼部分，均为12层，结构形式为剪力墙结构。
工程特点：一是转换结构，塔楼没有墙肢落地；二是大跨结构，混凝土转换梁最大跨度达21m；三是竖向刚度突变，首层层高12.3m，第二层层高7.2m。
结构动力弹塑性时程分析
（一）弹塑性分析方法
目前常用的弹塑性分析方法从分析理论上分有静力弹塑性（pushover）和动力弹塑性两类，从数值积分方法上分有隐式积分和显式积分两类。本工程的弹塑性分析将采用基于显式积分的动力弹塑性分析方法，这种分析方法未作任何理论的简化，直接模拟结构在地震作用下的非线性反应。
单元类型及有限元模型分析
单元类型
模拟梁柱采用B31 单元，ABAQUS中的B31 单元考虑塑性区发展， 杆件刚度由截面内和长度方向动态积分得到，其双向弯矩和弯拉的滞回性能可由材料的滞回性能精确反映。钢筋混凝土截面或钢骨混凝土截面定义（本分析没有采用钢骨混凝土构件）：不考虑钢筋和型钢构件和混凝土的相对滑移，程序根据平截面假定，对各个部分构件截面积分点，计算出混凝土构件的截面弯矩、轴力和剪力。
剪力墙采用S4R 单元，楼板采用S4R和S3R 单元，剪力墙和楼板内的钢筋采用rebar单元， 可以考虑多层钢筋布置，边缘构件和暗柱配筋采用箱型截面构件代替。
有限元模型分析
整体模型由转换程序从etabs导入，包括几何信息，单元划分，梁单元长度1m左右，剪力墙单元0.7-1m，楼板单元1m左右；梁柱构件的配筋根据Satwe计算的配筋结果由程序自动导入，梁钢筋考虑了各段的不同和顶面筋和底面筋的不同；剪力墙和楼板的配筋根据satwe计算配筋调整后的配筋手动输入；重力荷载代表值和质量源由转换程序自动导入。ABAQUS有限元模型如图（一）
图（一）ABAQUS有限元模型
为了确保ABAQUS非线性结构分析模型正确性，在构件进入弹塑性阶段之前，计算模型的动力特性与ETABS弹性分析模型保持一致，对两个程序计算的周期和振型进行对比。下表给出了ABAQUS模型和ETABS模型前3个振型及周期的对比。下图则给出前3个振型的变形形状对比。ABAQUS计算的结构总质量为83198t，ETABS计算的为82570t，基本一致；同时通过下表结果显示，ABAQUS弹性模型与ETABS弹性分析模型的动力特性基本是一致的，周期对比表如表2。
1、进行结构自振周期的分析；2、施加重力荷载代表值；3、在重力施加后的基础上施加地震作用（值得说明的是，上述所有分析过程，材料非线性（弹塑
性本构）及几何非线性贯穿始终）。
按照抗震规范要求，罕遇地震弹塑性时程分析所选用的单条地震波需满足以下频谱特性：特征周期与场地特征周期接近；最大峰值符合规范要求或安评要求；持续时间为结构第一周期的5～10 倍；时程波对应的加速度反应谱在结构主要周期点上与规范或安评反应谱相差不超过20％。
本次分析中的场地波按三向地震输入，三向地震输入的地震波峰值比为X：Y：Z=1：0.85：0.65，X向地震波峰值220Gal，持续时间都为30 秒。输入地震波信息如表1，EL-Centro地震波、场地波加速度反应谱与规范反应谱比较如图（二）：
从反应谱比较可以看出，在小于结构第一周期区段，EL-Centro波和CDB波的拟合加速度谱比规范谱大，而TAR波则小。
另外，通过ABAQUS模型，整体由转换程序从etabs导入，包括几何信息，单元划分，梁单元长度1m左右，剪力墙单元0.7-1m，楼板单元1m左右；梁柱构件的配筋根据Satwe计算的配筋结果由程序自动导入，梁钢筋考虑了各段的不同和顶面筋和底面筋的不同；剪力墙和楼板的配筋根据satwe计算配筋调整后的配筋手动输入；重力荷载代表值和质量源由转换程序自动导入。得出最大位移角如表2：
从表2可以看出，EL-Centro波激励下A栋和C栋塔楼X向层间位移角值最大，分别为1/101和1/124，场地波CDB激励下B栋塔楼X向层间位移角值最大，为1/112，而Y向层间位移角最大值都为EL-Centro波激励，分别为1/155，1/122和1/150，都满足规范规定限值1/100。
总体抗震性能评价及建议
通过上述3条地震波分析，我们可以得出如下结论：
底框柱的受压损伤主要集中在第一层柱底和第二层柱顶，最大损伤值为0.77，出现在27号柱第二层柱顶，而 8，14，21，22号柱顶损伤值在0.6左右，其他柱损伤在0.4左右；部分数柱内纵筋出现受拉屈服，因此设计中可以适当增大第二层柱配筋，并增加箍筋配筋率，特别是柱帽位置，以提高柱的抗震承载力以满足抗震性能评估指标。
鉴于转换梁截面纤维的受力特性接近于单轴拉压，且仍满足平截面假定，故对转换梁仍采用梁单元模拟。转换梁的受剪破坏属于脆性破坏而非延性破坏，因此转换梁的抗剪承载力需要通过构造措施加强。转换梁的抗弯塑性变形可以由前述纤维模型精确模拟，可由混凝土和钢筋的塑性变形程度来直观抗弯承载力，本分析中转换梁出现轻微受压损伤，梁内纵筋也仅局部屈服，但塑性应变值较小，因此转换梁的抗弯承载力足够，满足前述构件抗震性能评估指标。
塔楼的混凝土梁局部出现0.5左右的受压损伤，部分梁内钢筋进入塑性阶段，最大塑性应变值0.0045，远小于0.025，说明梁端还没完全成为铰，结构整体还完好，而梁端接入塑性阶段，起着耗能和保护与其连接剪力墙肢的作用。
塔楼剪力墙受压损伤严重位置主要集中在上部和墙肢与转换梁连接处，部分墙肢与转换梁连接部位出现严重受压损伤，主要是刚度突变引起的应力集中，设计中做了处理，在埋土以下增加墙厚，利用梯形过渡。上部少数墙肢出现的受压损伤主要集中在墙肢与混凝土梁连接部位，而大震模型中并没有考虑墙肢边缘约束构件的作用，因此结果偏于保守；同时从等效主拉塑性应变值可以看出，大部分墙肢内钢筋屈服，主拉塑性应变值大于0.01部位主要集中在底部和顶部电梯间周边墙肢，对于墙肢受拉塑性应变过大的处理，可以通过增加配筋率解决，并增加边缘构件配筋以提高墙肢抗震承载力和延性。
主体结构在大震作用下A栋塔楼最大弹塑性层间位移角 X向为 1/101，Y向为 1/155，B栋塔楼最大弹塑性层间位移角 X向为 1/112，Y向为 1/122，C栋塔楼最大弹塑性层间位移角 X向为 1/124，Y向为 1/150，均小于规范 1/100要求。
参考文献：
[1]深圳市建筑设计研究总院有限公司.深圳市地铁三号线横岗车辆段上盖物业开发工程——结构动力弹塑性时程分析报告.深圳.2010
[2]李承铭．钢一钢筋混凝土杆系结构三维地震作用下弹塑性时程分析(博士学位论文)2007．
[3]聂利英.李建中，范立础．弹塑性纤维梁柱单元及其单元参数分析[J]．工程力学，2004(6)
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：结构; 动力弹塑性; 时程分析; ABAQUS
Abstract: this paper mainly to the shenzhen a building engineering structure dynamic elastic-plastic time history analysis, including elasto-plastic analysis method, the unit type and finite element model, such as seismic situation, and finally, the engineering of the overall seismic performance evaluation to make, and puts forward some Suggestions.
Keywords: structure; Dynamic elastic-plastic; Time history analysis; ABAQUS
中圖分类号：TU3文献标识码：A 文章编号：
工程概况
该项目位于深圳地铁3号线六约站原检修主厂房的上部，为12层的保障性住房。原检修主厂房为纯框架结构水平向跨度为12m，竖向跨度为18m及21m。层高12.3m，基础为人工挖孔桩。本次设计是在原有已完工建筑基础上进行。先设一层转换层，层高7.2m，然后是塔楼部分，均为12层，结构形式为剪力墙结构。
工程特点：一是转换结构，塔楼没有墙肢落地；二是大跨结构，混凝土转换梁最大跨度达21m；三是竖向刚度突变，首层层高12.3m，第二层层高7.2m。
结构动力弹塑性时程分析
（一）弹塑性分析方法
目前常用的弹塑性分析方法从分析理论上分有静力弹塑性（pushover）和动力弹塑性两类，从数值积分方法上分有隐式积分和显式积分两类。本工程的弹塑性分析将采用基于显式积分的动力弹塑性分析方法，这种分析方法未作任何理论的简化，直接模拟结构在地震作用下的非线性反应。
单元类型及有限元模型分析
单元类型
模拟梁柱采用B31 单元，ABAQUS中的B31 单元考虑塑性区发展， 杆件刚度由截面内和长度方向动态积分得到，其双向弯矩和弯拉的滞回性能可由材料的滞回性能精确反映。钢筋混凝土截面或钢骨混凝土截面定义（本分析没有采用钢骨混凝土构件）：不考虑钢筋和型钢构件和混凝土的相对滑移，程序根据平截面假定，对各个部分构件截面积分点，计算出混凝土构件的截面弯矩、轴力和剪力。
剪力墙采用S4R 单元，楼板采用S4R和S3R 单元，剪力墙和楼板内的钢筋采用rebar单元， 可以考虑多层钢筋布置，边缘构件和暗柱配筋采用箱型截面构件代替。
有限元模型分析
整体模型由转换程序从etabs导入，包括几何信息，单元划分，梁单元长度1m左右，剪力墙单元0.7-1m，楼板单元1m左右；梁柱构件的配筋根据Satwe计算的配筋结果由程序自动导入，梁钢筋考虑了各段的不同和顶面筋和底面筋的不同；剪力墙和楼板的配筋根据satwe计算配筋调整后的配筋手动输入；重力荷载代表值和质量源由转换程序自动导入。ABAQUS有限元模型如图（一）
图（一）ABAQUS有限元模型
为了确保ABAQUS非线性结构分析模型正确性，在构件进入弹塑性阶段之前，计算模型的动力特性与ETABS弹性分析模型保持一致，对两个程序计算的周期和振型进行对比。下表给出了ABAQUS模型和ETABS模型前3个振型及周期的对比。下图则给出前3个振型的变形形状对比。ABAQUS计算的结构总质量为83198t，ETABS计算的为82570t，基本一致；同时通过下表结果显示，ABAQUS弹性模型与ETABS弹性分析模型的动力特性基本是一致的，周期对比表如表2。
1、进行结构自振周期的分析；2、施加重力荷载代表值；3、在重力施加后的基础上施加地震作用（值得说明的是，上述所有分析过程，材料非线性（弹塑
性本构）及几何非线性贯穿始终）。
按照抗震规范要求，罕遇地震弹塑性时程分析所选用的单条地震波需满足以下频谱特性：特征周期与场地特征周期接近；最大峰值符合规范要求或安评要求；持续时间为结构第一周期的5～10 倍；时程波对应的加速度反应谱在结构主要周期点上与规范或安评反应谱相差不超过20％。
本次分析中的场地波按三向地震输入，三向地震输入的地震波峰值比为X：Y：Z=1：0.85：0.65，X向地震波峰值220Gal，持续时间都为30 秒。输入地震波信息如表1，EL-Centro地震波、场地波加速度反应谱与规范反应谱比较如图（二）：
从反应谱比较可以看出，在小于结构第一周期区段，EL-Centro波和CDB波的拟合加速度谱比规范谱大，而TAR波则小。
另外，通过ABAQUS模型，整体由转换程序从etabs导入，包括几何信息，单元划分，梁单元长度1m左右，剪力墙单元0.7-1m，楼板单元1m左右；梁柱构件的配筋根据Satwe计算的配筋结果由程序自动导入，梁钢筋考虑了各段的不同和顶面筋和底面筋的不同；剪力墙和楼板的配筋根据satwe计算配筋调整后的配筋手动输入；重力荷载代表值和质量源由转换程序自动导入。得出最大位移角如表2：
从表2可以看出，EL-Centro波激励下A栋和C栋塔楼X向层间位移角值最大，分别为1/101和1/124，场地波CDB激励下B栋塔楼X向层间位移角值最大，为1/112，而Y向层间位移角最大值都为EL-Centro波激励，分别为1/155，1/122和1/150，都满足规范规定限值1/100。
总体抗震性能评价及建议
通过上述3条地震波分析，我们可以得出如下结论：
底框柱的受压损伤主要集中在第一层柱底和第二层柱顶，最大损伤值为0.77，出现在27号柱第二层柱顶，而 8，14，21，22号柱顶损伤值在0.6左右，其他柱损伤在0.4左右；部分数柱内纵筋出现受拉屈服，因此设计中可以适当增大第二层柱配筋，并增加箍筋配筋率，特别是柱帽位置，以提高柱的抗震承载力以满足抗震性能评估指标。
鉴于转换梁截面纤维的受力特性接近于单轴拉压，且仍满足平截面假定，故对转换梁仍采用梁单元模拟。转换梁的受剪破坏属于脆性破坏而非延性破坏，因此转换梁的抗剪承载力需要通过构造措施加强。转换梁的抗弯塑性变形可以由前述纤维模型精确模拟，可由混凝土和钢筋的塑性变形程度来直观抗弯承载力，本分析中转换梁出现轻微受压损伤，梁内纵筋也仅局部屈服，但塑性应变值较小，因此转换梁的抗弯承载力足够，满足前述构件抗震性能评估指标。
塔楼的混凝土梁局部出现0.5左右的受压损伤，部分梁内钢筋进入塑性阶段，最大塑性应变值0.0045，远小于0.025，说明梁端还没完全成为铰，结构整体还完好，而梁端接入塑性阶段，起着耗能和保护与其连接剪力墙肢的作用。
塔楼剪力墙受压损伤严重位置主要集中在上部和墙肢与转换梁连接处，部分墙肢与转换梁连接部位出现严重受压损伤，主要是刚度突变引起的应力集中，设计中做了处理，在埋土以下增加墙厚，利用梯形过渡。上部少数墙肢出现的受压损伤主要集中在墙肢与混凝土梁连接部位，而大震模型中并没有考虑墙肢边缘约束构件的作用，因此结果偏于保守；同时从等效主拉塑性应变值可以看出，大部分墙肢内钢筋屈服，主拉塑性应变值大于0.01部位主要集中在底部和顶部电梯间周边墙肢，对于墙肢受拉塑性应变过大的处理，可以通过增加配筋率解决，并增加边缘构件配筋以提高墙肢抗震承载力和延性。
主体结构在大震作用下A栋塔楼最大弹塑性层间位移角 X向为 1/101，Y向为 1/155，B栋塔楼最大弹塑性层间位移角 X向为 1/112，Y向为 1/122，C栋塔楼最大弹塑性层间位移角 X向为 1/124，Y向为 1/150，均小于规范 1/100要求。
参考文献：
[1]深圳市建筑设计研究总院有限公司.深圳市地铁三号线横岗车辆段上盖物业开发工程——结构动力弹塑性时程分析报告.深圳.2010
[2]李承铭．钢一钢筋混凝土杆系结构三维地震作用下弹塑性时程分析(博士学位论文)2007．
[3]聂利英.李建中，范立础．弹塑性纤维梁柱单元及其单元参数分析[J]．工程力学，2004(6)
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。