伸臂桁架+巨柱结构的一些疑惑

     最近拜读了@陆新征 老师的一篇论文《上海中心抗震分析简化模型和地震耗能分析》（以下简称《上海中心》）,感觉观念很新颖，这种简化可以更好地对超高层进行概念分析，使设计者从主体把握结构的抗震性能，并更好地进行优化设计。但对文中一些细节还存在如下疑惑，欢迎交流!

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1，伸臂桁架：在《上海中心》中设置了剪切铰和弯矩铰（见图13），而最终分析得到了这样一个结论:“2)基于简化模型的弹塑性分析，伸臂桁架是上海中心大厦结构的主要耗能构件。随着地震强度的增加，连梁的耗能比例略有增加，核心筒也开始进入非线性工作阶段参与耗能。尽管在较大地震作用下伸臂桁架的耗能比例略有下降，但它仍是该结构的主要耗能构件。”然后我又看了下其他文章与红色部分结论并不一致，顿感困惑。例如同济大学学报第39期第4卷罗永峰的《罕遇地震下上海中心超高层的性能化抗震设计》中结论：“( 3) 上海中心超高层结构连梁在罕遇地震作用下通过屈服后的塑性转动来耗散能量, 表现出合理的非线性行为; 巨型柱和剪力墙均产生塑性转角, 变形均在生命安全指标( LS) 控制范围内; 伸臂桁架和环带桁架没有屈服现象. 整体结构体系和构件设计满足罕遇地震下生命安全控制目标.” 另外结构方案咨询公司TT的文章《nonlinear time history for performance based design of shanghai Tower》结论：“Non-linear Time History Analysis of Shanghai Tower shows that this super tall structure provides an acceptable level of performance under a severe seismic event with a 2475 year return period. The maximum story drifts are within the code limit under all seven sets of ground motions. Link beams exhibit considerable yielding but plastic rotations are within the Immediate Occupancy level. Although wall piers and super columns are found to experience cracking, tension stresses in the reinforcement are below the steel yield point. Outrigger and belt-truss framing member demands are less than their ultimate capacities. ”

     缩尺模型试验文章见建筑结构学报第34卷第2期赵宪忠文章《上海中心大厦伸臂桁架与巨柱和核心筒连接的静力性能试验研究》，结论为：“2)试件的破坏模式都表现为伸臂桁架斜腹杆的受压屈曲;在单调荷载作用下，该单斜腹杆桁架具有良好的承载力、
刚度和变形能力，可实现“强节点，弱构件”的良性失效机制，满足“中震作用下伸臂桁架不屈服，大震作用下环带桁架不屈服”的抗震性能设计目标。”

     目前我国的大部分高层和超高层的设计和分析，分析得到是满足大震不屈服类似的结论。陆老师的简化模型也是结合了目前试验研究的，计算了22条地震波的统计结论并充分考虑地震波的离散性。这节主要想质疑下陆老师的对伸臂桁架的简化后得到的结论为何与其他各位不同。

     仔细对比红色字体，我这里不给予评价，仅给出相关的文献内容，大家也可自己查找文献仔细（尽量不要断章取义）看后交流评论。任何的研究都是一个摸索前进的过程，前提是我们要找到一个更愿意相信的结论，我们暂时称之为“真理”。但真正的真理又会因为后人的研究和质疑成为谬论，这是科学发展的必经之路。

(2013-10-6个人对伸臂桁架简化模型的看法）：针对《上海中心》论文的结论，因为简化后采用带剪切铰和弯矩铰的构件，导致分析得到的伸臂桁架耗能过多。据我所看文献，伸臂桁架一般都是作为弹性构件处理的，而伸臂桁架的斜腹杆主要受轴力拉压作用。伸臂桁架的设计意图是起到加强外框柱与核心筒之间的协同受力作用，并能有效控制住楼层侧移。当然简化后作为一个宏观单元，其实应该还是一个传力构件。若将整个结构拆分为三部分：核心筒剪力墙、外框架巨柱+伸臂桁架三部分。伸臂桁架简化构件只是起到传递地震剪力的作用，由于伸臂桁架水平设置。前提在伸臂桁架的斜腹杆不屈曲和伸臂桁架无局部失稳问题的情况下，若不考虑固结端受弯屈服则可不设置弯矩铰，从设计角度来看是希望伸臂桁架更好地传递水平地震作用，所以期望它主要是轴向拉压作用，但模拟应该更多地考虑真实受力作用，所以这时需要根据计算判断弯矩是否可能达到固结端的屈服弯矩；伸臂桁架简化单元可能受力情况和连梁（配置斜向交叉钢筋的情况）相似，但因为伸臂桁架并非实心单元（可能与连梁的钢筋受力一致），有斜腹杆和水平杆件，斜腹杆主要受轴力拉压作用，传递给上下水平杆件，将斜向作用转化为水平作用，宏观来看，伸臂桁架主要受水平轴向拉压作用，不应设置剪切铰，这时可能两端承受一些弯矩，同样也需判断考虑是否应设置弯矩铰。以上仅个人理解，欢迎交流。

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 2，巨柱：巨柱在《上海中心》中“精细模型的分析结果还表明，由于模型总质量较大
，相应巨柱的静态轴力也较大，罕遇地震作用下巨柱的轴力无显著变化，因此，巨柱轴力和弯矩之间的耦合效应可忽略，可用定轴力下的弯矩曲率关系来模拟巨柱的非线性受弯性能。”据了解，工程中将巨柱建立为墙单元（分层壳单元或非线性材料纤维截面），可能忽略了巨柱弱轴的非线性行为，但巨柱强轴的弯-轴力耦合作用还是可以考虑的。当然工程应用也是比较粗略的模拟，真实巨型柱行为如何?巨柱长细比较大，主要承受轴力作用，采用（有限元）梁单元模拟也是可以的。见同济大学学报第39期第4卷罗永峰的《罕遇地震下上海中心超高层的性能化抗震设计》中第5.2节：“在罕遇地震作用下, 巨型柱仍然以承受轴力为主。在 MEX 波和 L711 波作用下, 部分柱的轴压比超过 0. 7, 混凝土存在一定的塑性变形, 型钢钢骨尚未屈服, 截面转角小于 0. 005 rad, 满足生命安全指标, 未发生破坏; 其他轴压比情况下, 相应的截面转角均小于0. 003 rad, 属于立即可修复阶段( IO) , 柱基本保持弹性. 巨型柱的拉应变分布如图 11 所示. 图 11a, b 分别为 MEX 波 Y 主方向和 L711 波 X 主方向输入时的应变分布. 由图中可看出, 巨型柱在顶部和上部加强层局部有拉应变, 导致柱局部混凝土开裂, 但钢骨的应力远低于钢材抗拉强度, 无屈服现象.”“分析结果表明, 伸臂桁架和环带桁架均保持弹性, 满足生命安全的性能指标要求.”

     这节主要是想探讨巨柱该如何模拟，以及《上海中心》那句“罕遇地震作用下巨柱的轴力无显著变化，因此，巨柱轴力和弯矩之间的耦合效应可忽略"表示疑问。

3，对结构简化模型的一些想法：这里表达下我对结构简化模型一些想法：（1）结构分析简化模型在规范中都有提到真实反应结构的行为和受力状况，但原本我们在软件中的计算模型就是一种三维空间简化处理模型，当然与实际的结构也是存在一定偏差的，而且这个偏差若在工程设计允许范围内都是可以接受的。陆新征老师将三维空间结构简化成二维平面结构，当然更进了一步简化，而且概念清楚，伸臂桁架简化成为了构件，但个人觉得伸臂构件这块简化的处理还值得深入研究下。（2）任何分析都是为了更好地设计，而不是为了分析而分析（摘自加州大学伯克利分校Graham.H.Powell教授的书）。既然简化了，如果结构存在一些薄弱部位，那么我就可以通过分析决策应该采取何种措施加强这些薄弱部位。当然简化模型，概念清楚，若我们采用编程进行参数化建模处理，这样就可以真正通过简化模型来获得更大的受益-进行结构优化设计。

     欢迎讨论，可以加入PERFORM-3D读者群140330920讨论（群共享有相应资料，不限于PERFORM-3D软件，有关结构设计和分析研究任何问题皆可），欢迎评论和交流，共同进步！