辛宇
凌云建设集团有限公司
摘要：围绕高层框架-核心筒建筑结构，利用ETABS专业房屋结构设计分析有限元模拟软件，针对结构的弹塑性变形的各阶段展开时程分析建模工作，将建模过程中的各个关键节点进行细化与讨论，为同类型项目在前期建模分析的过程中提供全方位的指导与把控，同时也规范了“框架-核心筒结构”在数值分析过程中的流程步骤。
关键词：框架-核心筒；弹塑性变形；时程分析；数值建模
Numerical Modeling of Elastoplastic Deformation History of High-Rise Frame-Core Tube Structures
Abatract：Around the top frame - core tube structure, use ETABS program professional building structure design analysis of finite element simulation software, on the stages of elastic-plastic deformation of the structure of time history analysis modeling, the modeling process of each key nodes are detailed and discussed, for the same type in the process of the project in the early stage of the modeling analysis to provide a full range of guidance and control, At the same time, the flow steps of the "frame-core tube structure" in the numerical analysis process are also standardized.
Keyword：frame - core tube; elastoplastic deformation; time history analysis; numerical modeling
随着经济社会的繁荣发展，城市建设进程在加速进行，建设范围也在持续扩张，城市核心地区的土地资源日益紧缺，这就逐步促进了现代建设项目朝着天空与地下空间方向开发，而且在开发范围与开发规模上也在逐年攀升。其中为了缓解地上空间的利用效率，工程师不断追求更高的建筑高度以获取更多的使用空间，随着建筑高度的不断增加，随之而来的问题也渐渐凸显，首先是传统建筑结构形式如钢结构、框架结构、剪力墙结构等，无法在保证经济性的同时实现超高建筑物的建筑体系搭建，这就进一步促使了新型建筑体系“框架-核心筒”结构的诞生与应用，但在高层建筑设计与施工过程中仍然有很多问题需要探讨，其中高层结构的稳定性与抗震性如何得到保障是工程人一直热议的话题[1]。
基于此，围绕高层框架-核心筒建筑结构，利用ETABS专业房屋结构设计分析有限元模拟软件，针对结构的弹塑性变形的各阶段展开时程分析建模工作，将建模过程中的各个关键节点进行细化与讨论，为同类型项目在前期建模分析的过程中提供全方位的指导与把控，同时也规范了“框架-核心筒结构”在数值分析过程中的流程步骤。
1 框架-核心筒结构体系
框架-核心筒结构体系是在高层建筑或者是超高层建筑中常用的结构体系，如图1，结构在外侧为梁柱搭建的框架结构，在建筑平面中间位置布置有筒型的环形剪力墙结构，这部分剪力墙结构主要是用作电梯井或者强弱电井。由于此类建筑结构整体高度较高，是的框架-核心筒结构的各个部件的尺寸相较于普通建筑结构的组分部件都要明显加大加粗，并且在结构的各个高度楼层会针对性地设置不同功能的加强层与转换层，建筑物的整体结构刚度与强度在高度方向上并不是线性变化，在建筑截面上的结构力学性质也并不是均匀变化。某些节点位置甚至会发生尺寸接续突变或者强度刚度突变，利用传统的设计分析软件，就难于较好的模拟建筑结构在受到水平荷载（风荷载、地震荷载）、竖向荷载（地震荷载、自重荷载、变载）的结构整体变形响应和结构中各个组成部件的局部变形响应。在传统结构设计中，会考虑结构中的一部分塑性变形，如在地震荷载下考虑结构中塑性铰的存在节点。对于高层建筑结构而言，建筑结构在受到地震荷载作用下尤其是罕见地震荷载作用下，结构中大部分的组件已经进入了弹塑性变形阶段（这部分占比是要高于传统建筑结构），结构整体的线性程度下降，非线性程度提升，如果采用原先的线弹性计算方法去模拟计算高层框筒结构的变形响应，结果就会产生较大的偏差与失准，不能准确反映荷载条件下，结构的变形规律与特征[2-3]。
.png)
图1 框架-核心筒结构体系
针对这类情况，本文利用ETABS建筑结构分析计算软件对高层建筑框筒结构进行分析，主要是对建模过程中的各大注意要点进行展开分析，选择合适的计算模型与简化分析理论，准确地把握建模细节，保证计算结果的有效性与准确性，也进一步推进该领域的计算分析的规范性。
2 建模分析的重难点
2.1 计算时积分计算方法的选取
现有计算分析时，在软件中选取计算方法时主要选择显示积分的方式，但显示积分虽然在计算的稳定收敛方面占据一定的优势，但是其计算的精准度并不是理想。因为不同的工程项目结构特点各有差异，所以在选择积分运算方法时也应当根据实际情况进行选择[4]。
2.2 建筑材料构件的本构关系选取
就单纯的框架-核心筒结构而言，主要材料为混凝土与钢筋，软件内部均有成熟的本构关系去模拟各个材料特性，但是由于材料的形式与组合方式会直接影响到每个构件或者建筑整体的变形性能，所以需要根据实际情况选择材料的本构关系。
2.3 结构单元的选取
框架-核心筒结构是由框架与剪力墙单元组合而成，但由于相互组合搭接的关系又改变了彼此的受力变形特性，是否在框架-核心筒结构中在实际部位布置对应的单元模型，仍然要依据实际工程条件进变化与应用[5]。
2.4 施加的地震荷载类型选取
因为高层框架-核心筒结构体量巨大，各个结构组件众多，变形特性与规律复杂，并且易受外界环境影响，此种情况下，地震荷载类型的选取将直接影响到最终计算结果的准确性[6]。
3 建模流程解析
3.1 工程概况
建模工作依托的工程一共设立10层，每层高度为5m。
3.2 主要操作流程
（1）建立建筑物楼层与平面轴线网
在软件界面的任务栏中找到“编辑”→“编辑楼层与轴线网”，每个楼层各个楼层的平面尺寸信息录入如图3。图4为整体建筑模型。
.png)
图3 每个楼层平面信息的录入
模型建立的最终效果图如下图所示。
.png)
图4 框架-核心筒结构
（2）材料定义
这部分选取剪力墙材料定义作为示例，梁和柱的材料定义就不再赘述。剪力墙构件在ETABS软件中采用“弹性薄壳”模拟简化[7]，因为剪力墙结构在平面内的尺寸要明显大于平面外的尺寸，用“弹性薄壳”模型具有较好的适用性。
（3）模型单元的剖分
一般来说，软件会对结构体的各个部分进行自动划分，但是由于既定划分程序的固定性，在框架-核心筒结构中并不适用，所以需要针对软件划分单元不合理区域通过单元指定划分的功能进行单元切割划分。针对剪力墙部分，选中剪力墙单元，在命令栏中选中“指定”→“壳”→“墙体自动划分”，定义网格的最大划分尺寸为1m，具体操作如下图所示。
（4）定义弹塑性变形
①框架-核心筒结构中框架部分需要通过指定框架结构中的塑性铰和纤维铰来体现框架部分的弹塑性变形特性，这部分就直接切合了实际工程中结构体系非线性的各组件结构关系。框架部分通过录入梁柱配筋信息会自动定义塑性铰的位置与数量。
②框架-核心筒结构中核心筒部分的弹塑性需要通过在核心筒剪力墙中定义“分层壳”的方式来实现。具体思路为：在框架-核心筒下部楼层即突变层与转换层以下的均匀楼层采用弹性的薄壳模型单元来模拟定义，对于变换层，就需要将其定义为“分层壳”单元。在“分割壳”操作模块中对核心筒的剪力墙结构进行点对点分割操作[8]。
（5）定义时辰函数曲线
这部分就是考虑具体的地震荷载形式，将地震荷载形式以函数的方式录入分析软件中。定义函数时间间隔为0.02，保持与地震荷载的时间间隔相一致。地震荷载文件如图5。
.png)
图5 地震波文件
上述已将建模的关键步骤进行阐述与讨论，后续工作只要利用软件平台进行运算即可。
4 结论
围绕高层框架-核心筒建筑结构，利用ETABS专业房屋结构设计分析有限元模拟软件，针对结构的弹塑性变形的各阶段展开时程分析建模工作，将建模过程中的各个关键节点进行细化与讨论，为同类型项目在前期建模分析的过程中提供全方位的指导与把控，同时也规范了“框架-核心筒结构”在数值分析过程中的流程步骤。
参考文献
[1] 王启文, 吴风利, 周斌,等. 超限高层建筑大悬挑楼层结构设计[J]. 建筑结构, 2016, 46(22): 12-18.
[2] 魏琏. 深圳超限高层建筑工程设计及实例[M].北京: 中国建筑工业出版社, 2016.
[3] 黄用军, 何远明, 蒲敬川, 等. 楼盖弱连接结构设计方法探讨[J]. 建筑结构, 2019, 49(11): 87-92.
[4] 王毅, 冯知夏, 王倩, 等. 高烈度区框架-双筒结构连接楼板应力分析[J]. 建筑结构, 2016, 46(S2): 170-173.
[5] 徐培福, 戴国莹. 超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究[J]. 土木工程学报, 2005, 38(1): 1-10.
[6] 刘振文,胡雪瀛,黄信,等.某外框不封闭框架-核心筒结构抗震分析与设计[J]. 建筑结构, 2018, 48(S1): 248-251.
[7] 吕西林, 程明. 超高层建筑结构体系的新发展[J]. 结构工程师, 2008, 24(2): 99-106.
[8] 徐培福, 肖从真, 李建辉. 高层建筑结构自振周期与结构高度关系及合理范围研究[J]. 土木工程学报, 2014, 47(2): 1-11.