某超限高层建筑结构大震弹塑性时程分析对比
材料见表1.
2.2 设计参数
该结构为丙类建筑，设防烈度为7度（0.1g），设计地震分组为第一组，场地类别二类，特征周期为0.35s；按重现期为50年的基本风压0.45kN/m2计算水平位移，按重现期为100年的基本风压0.50kN/m2计算结构承载力。阻尼比取0.05。采用SATWE、Midas Building和Etabs计算的主要结果见下表。
3.结构大震弹塑性时程分析
3.2大震弹塑性分析
3.2.1 Perform 3D 和Midas building
在第三水准地震作用下结构的弹塑性变形应满足要求，目前对于本工程结构的计算尚未有简化的方法，拟采用Perform 3D和Midas Building程序进行分析，并根据分析结果采取相应的抗震构造措施，实现第三水准的设防要求。
维截面模型：纤维模型是采用钢筋和混凝土材料的单轴应力应变关系，通过塑性纤维的轴向变形来模拟剪力墙的轴向-弯曲变形特征，纤维模型不必采用墙集中塑性铰的假定，不必采用双向弯曲互不耦联的假定，Midas building和Perform-3D均采用此模型；
弹塑性时程分析采用Computer and Structures，Inc的三维非线性结构分析软Perform3D，在整体结构、构件、材料等方面上定义目标性能水准，通过地震反应后抗震“能力”与地震目标性能“需求”的比较来判断结构是否满足了我们期望实现的抗震要求。Perform 3D采用的是塑性纤维+弹塑性剪切性质（名义剪应力）的单元模型来模拟剪力墙的轴向-弯曲变形和剪切变形。剪力墙只考虑平面内的弯曲和剪切弹塑性性质，平面外弯曲和轴向变形均做弹性假定。几何模型参考了用做弹性分析的SATWE模型，各类抗侧力构件如框架梁、连梁、剪力墙和框架柱都包含其中；根据各类构件的受力特点，用不同的方法定义了弹塑性性质；构件和材料的刚度、强度或屈服弯矩等参数，则是依据混凝土规范、抗震规范以及SATWE的设计结果。模型见图2。
Midas Building对梁柱单元提供了双折线、三折线和四折线等16种滞回模型，其中包括考虑刚度和强度退化的武田模型、克拉夫模型。出于能使用较少单元满足分析精度要求，梁柱单元计算公式使用柔度法。根据铰发生的位置，非线性梁柱单元可分为集中铰类型单元和分布铰类型单元。根据弯矩成分的非线性特性定义方法，集中铰类型单元也被称为弯矩-旋转角类型单元，分布铰类型单元也被称为弯矩-曲率型单元。
本文中铰类型单元为弯矩-旋转角单元，即在单元两端设置长度为0的非线性弹簧、内部为弹性的非线性单元类型，单元示意图如图所示。框架梁采用弯矩铰（My-θy），框架柱采用考虑轴力-弯矩耦合的轴力弯矩铰（P-M铰）。
Midas Building中的非线性墙构件由多个墙单元构成，每个墙单元又被分割成具有一定数量的竖向和水平向的纤维，每个纤维有一个积分点，剪切变形则计算每个墙单元的四个高斯点位置的剪切变形。考虑到墙单元产生裂缝后，水平向、竖向、剪切方向的变形具有一定的独立性，Building的非线性墙单元不考虑泊松比的影响（剪切模量取弹性模量的一半），假设水平向、竖向、剪切变形互相独立，如图3所示。
每次增量步骤分析中程序会计算各积分点上的应变，然后利用混凝土和钢筋的应力-应变关系分别计算混凝土和钢筋的应力。剪切应力则如前所述计算单元高斯点位置的剪切变形。
3.2.2结构的动力特性
在进行弹塑性时程分析之前，首先对模型进行模态分析，并与常规计算的总重力荷载代表值、周期进行对比。一方面可以验证模型的总质量和刚度的准确性，另一方面也可以对结构的基本动力特性做出初步判断。PERFORM-3D和Midas building两种软件的计算分析结果对比见下表：
3.2.4大震弹塑性分析结论
根据大震下结构的动力弹塑性时程分析结果，可得出以下结论：
（1）结构在大震作用下，最大层间位移角小于1/100，满足规范要求。
（2）结构在大震作用下的最大基底剪力相当于小震基底剪力（CQC）结果的3.5-5.6倍。
（3）剪力墙在大震下未出现塑性变形或钢筋屈服，剪力墙性能具有较大的富裕度。
（4）连梁和框架梁会出现弯曲塑性铰，梁端塑性铰在各个楼层分布较为均匀，框架梁能够满足小于CP（临界倒塌）的性能水准，可实现性能水准的要求。
根据上述结论，结构在大震作用下能够满足C级抗震设防性能目标要求。
4.结语
本文中运用两种大震弹塑性分析软件Perform 3D与Midas building对同一超高层建筑进行对比分析。从两款软件模型的基本假定出发，对比了整体反应指标等。通过各项指标的分析结果对比，可以看出Perform 3D与Midas building的大震弹塑性分析的结果是基本相近的，都能较好的反应结构在大震作用的的实际响应情况，验证不同抗震设防性能目标的要求。
参考文献：
[1] PERFORM-3D，Nonlinear analysis and performance assessment for 3D structures ： user guide [Z].computer&structures Inc.2006.
[2] Orakcal K，Wallace J W，Conte J P. Nonlinear modeling and analysis of slender reinforced concrete walls .[J].ACI Structural Journal，2012，109（2）：205-214..
[3] 高德志；赵继；侯晓武；MIDAS Building抗震性能设计的实现方法[J]；建筑结构；2013年S2期.
Gao Dezhi；Zhao Ji；Hou Xiaowu； Methods of seismic performance design in MIDAS Building[J]；Building Structure；2012.S2.
[4] 符芮三. ABAQUS与PERFORM-3D在弹塑性时程分析中的应用及对比研究 [D]. 重庆大学. 2014
Fu ruisan. ABAQUS to PERFORM - 3 d application in elastic-plastic time history analysis and comparative study [D] Chongqing university. 2014
[5] 周树峰； 徐港； 鲍浩； 赵鹏；建筑结构设计软件动力时程分析功能比较[J]；三峡大学学报（自然科学版） 2014年01期
Zhou Shufeng；Xu Gang；Bao Hao；Zhaopeng.Comparison of Dynamic Time-history Analysis Functions of Different Software for Architectural Structure Design[J]； Journal of China Three Gorges University（Natural Sciences）01.2014
[6] JGJ3一2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].
JGJ 3一2010，Technical Specification for Concrete structures of Tall Building [S]
.