叢樹民，曾支明，徐速超

（沈陽大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧沈陽 110044）

成都中航國際廣場大廈結(jié)構(gòu)動力分析

叢樹民，曾支明，徐速超

（沈陽大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧沈陽 110044）

應(yīng)用ANSYS對成都中航國際廣場大廈進(jìn)行了動力分析，所建模型節(jié)點(diǎn)40 000多個、單元50 000多個，在建模中解決了不同材料之間的節(jié)點(diǎn)連接問題.通過量化分析確定出該結(jié)構(gòu)的薄弱部位，對這些薄弱部位采取加固措施至關(guān)重要.該項(xiàng)研究具有重要的意義和經(jīng)濟(jì)價值.

高層鋼-混凝土混合連體結(jié)構(gòu)；動力分析；薄弱環(huán)節(jié)；加固改造

在我國，現(xiàn)代高層建筑中各種新型的結(jié)構(gòu)體系得到應(yīng)用，多塔鋼-混凝土混合連體結(jié)構(gòu)體系是其中之一［1］.對該種建筑物進(jìn)行動力分析，確定出該種結(jié)構(gòu)的薄弱部位，為設(shè)計(jì)及加固提供量化依據(jù)，保證其安全至關(guān)重要.

1 成都中航國際廣場大廈工程動力分析

1.1 工程概況

成都中航國際廣場大廈位于成都市高新區(qū)，由兩幢塔樓及附屬裙樓組成.其中，A號塔樓為辦公樓，18～20層，高度為73.3～81.8m；B號塔樓為酒店，19～21層，高度為73.9～80.9m；裙樓為商業(yè)及會議功能樓，3～4層，高度為17～21.7m.總建筑面積15.9萬m2.

（1）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn).原設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度為7度，抗震設(shè)防類別為乙級（5層以下）、丙級（6層以上），設(shè)計(jì)地震分組為第三組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1 g，多遇地震作用下水平地震影響系數(shù)最大值為0.08.場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.45s.

（2）主體結(jié)構(gòu)特點(diǎn).主體結(jié)構(gòu)采用框架-剪力墻體系.結(jié)構(gòu)高寬比為3.63（A塔樓）、1.63（B塔樓），出屋面高度6.1m、層數(shù)1層.裙房高度為19.45m，層數(shù)5層，裙樓中庭設(shè)抗震縫，連梁采用抗震支座與兩側(cè)相連.兩塔樓頂部采用鋼結(jié)構(gòu)相連.

1.2 ANSYS模型的建立

主體結(jié)構(gòu)中，梁、柱的連接按剛性連接處理；型鋼與混凝土梁、柱的連接也按剛性連接處理.

ANSYS模型及網(wǎng)格劃分情況如圖1所示.

圖1 中航國際廣場大廈ANSYS網(wǎng)格劃分圖Fig.1 ANSYS meshing map of Chengdu International Plaza Mansion

2 成都中航國際廣場大廈結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，以得到結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的固有頻率與振型.

2.1 結(jié)構(gòu)動力特性、自振周期與振型

通過對結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，求得結(jié)構(gòu)前10階自振周期和頻率，如表1所示.

表1 模態(tài)分析前10階振型的固有頻率和周期Table 1 Modal analysis of the natural frequency and periodic table of the first ten modes

從表1中可以看到，結(jié)構(gòu)第二周期與第一周期之比為T2／T1＝0.97.表明結(jié)構(gòu)X，Z方向周期相差點(diǎn)不大.滿足《抗震規(guī)范》中“小于1”的規(guī)定.

圖2～圖7為模態(tài)分析前6階自振周期的振型圖：第1階振型為沿X軸方向平動，B塔樓沿X軸方向平動明顯；第2階振型也為沿X軸方向平動，A塔樓與B塔樓沿X軸方向平動都明顯；第3階振型以X軸方向的平動為主，A塔樓相對B塔樓的平動較大；第4、第5階振型A塔樓以X軸正方向的平動為主，B塔樓以繞Z軸的轉(zhuǎn)動為主；第6階振型運(yùn)動變化與前5階相似.前6階振型都以扭轉(zhuǎn)為主，在平動為主的振型中，伴有一定的扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)振型也有平動出現(xiàn).

圖3 第2階振型圖Fig.3 Libration mode graph of the second level

圖4 第3階振型圖Fig.4 Libration mode graph of the third level

圖5 第4階振型圖Fig.5 Libration mode graph of the fourth level

圖6 第5階振型圖Fig.6 Libration mode graph of the fifth level

圖7 第6階振型圖Fig.7 Libration mode graph of the sixth level

2.2 結(jié)構(gòu)反譜分析

反譜理論是應(yīng)用模態(tài)分析的結(jié)果與已知的譜聯(lián)系起來進(jìn)行位移、應(yīng)力的分析，將各振型的反應(yīng)最大值組合在一起得到坐標(biāo)的最大值［2-5］.

2.3 結(jié)構(gòu)模型反譜分析結(jié)果

圖8、圖9為成都中航國際廣場大廈結(jié)構(gòu)模型在反譜分析下的節(jié)點(diǎn)總位移圖、節(jié)點(diǎn)總扭轉(zhuǎn)圖.從圖8、圖9可以看出，結(jié)構(gòu)的變形方向主要以X軸向的平動為主，同時伴隨Y向扭轉(zhuǎn)和次方向的運(yùn)動，通過頂層的等值曲線可以看到A塔樓與B塔樓結(jié)構(gòu)繞各自剛心出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng).雙塔結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在頂層，上部剪力墻的變形要大于下部框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)在地震作用下，基本滿足正常使用的極限狀態(tài).

圖8 反譜分析的總位移圖Fig.8 Total displacement map of anti-spectral analysis

圖9 反譜分析的總扭轉(zhuǎn)圖Fig.9 Total reverse map of anti-spectral analysis

本建筑結(jié)構(gòu)反譜分析的層間位移角如圖10～圖13所示.由圖10～圖13可以看出，結(jié)構(gòu)扭動較明顯，但均小于規(guī)范規(guī)定的位移角限值（θc＝1／1 000）.層間位移角的變化趨勢與振型的變化規(guī)律相統(tǒng)一，若加速度繼續(xù)增大，局部結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，需要進(jìn)行加固處理.

圖10 A座譜分析X向最大層間位移角Fig.10 Spectral analysis of the maximum story drift angle of A Tower on Xaxial

圖11 B座譜分析X向最大層間位移角Fig.11 Spectral analysis of the maximum story drift angle of B Tower on Xaxial

圖12 A座譜分析Y向最大層間位移角Fig.12 Spectral analysis of the maximum story drift angle of A Tower on Yaxial

2.4 結(jié)構(gòu)的動力時程分析

本建筑結(jié)構(gòu)動力時程分析的地震波有3類：①典型的地震波；②根據(jù)場地實(shí)際情況模擬的人工波；③建筑物所在場地的實(shí)際記錄.

2.5 地震波的選取

本文選用反演后的EI波、合成的人工波及天然波分別進(jìn)行動力時程分析，如圖14～圖16所示.EI波為實(shí)際地震所記錄的加速度圖，時間步長為0.02s，持續(xù)時間為15s，之后地震波的加速度趨于平緩，EI波的峰值加速度為341.7cm／s2）.人工波Ⅰ是按照本建筑結(jié)構(gòu)設(shè)防7級地震的要求合成的人工波，最大加速度為399.26cm／s2）.天然波Ⅰ是2008年汶川地震實(shí)測的一段波，最大加速度為281.20cm／s2.施加地震作用的方向分別沿結(jié)構(gòu)X，Z軸方向.

圖13 B座譜分析Y向最大層間位移角Fig.13 Spectral analysis of the maximum story drift angle of B Tower on Yaxial

圖14 反演后EI波加速度時程圖Fig.14 Acceleration time-history diagram of EI wave after inversion

圖15 人工波Ⅰ加速度時程圖Fig.15 Acceleration time-history diagram of artificial waveⅠ

圖16 天然波Ⅰ加速度時程圖Fig.16 Acceleration time-history diagram of natural waveⅠ

2.6 結(jié)構(gòu)動力時程分析結(jié)果

通過3組地震波對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移進(jìn)行比較，最大水平側(cè)移均位于結(jié)構(gòu)的頂部，在EI波及人工波Ⅰ的作用下，結(jié)構(gòu)的頂層位移較?。辉谔烊徊á竦淖饔孟?，結(jié)構(gòu)的頂層位移較大，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞環(huán)節(jié).本文以A塔樓和B塔樓頂層節(jié)點(diǎn)9 593和9 734作了對比分析，如圖17～圖20所示，可以看出，在EI波及以7度抗震合成的人工波Ⅰ的作用下，本建筑結(jié)構(gòu)的頂層水平及豎向位移不大.而天然波Ⅰ為汶川地震波，本建筑結(jié)構(gòu)在此強(qiáng)震作用下頂層的水平位移及豎向位移較大，尤其是X軸向產(chǎn)生的位移較大，A塔樓達(dá)到0.089 1m，B塔樓達(dá)到0.094 736m.

圖17 A塔樓頂層節(jié)點(diǎn)9 593 X軸向位移Fig.17 Displacement of node 9593in top-level of A tower in Xaxial

圖18 A塔樓頂層節(jié)點(diǎn)9 593 Y軸向位移Fig.18 Displacement of node 9593in top-level of A tower in Yaxial

圖19 A塔樓頂層節(jié)點(diǎn)9 593 Z軸向位移Fig.19 Displacement of node 9593in top-level of A tower in Z axial

圖20 B塔樓頂層節(jié)點(diǎn)9 734 X軸向位移Fig.20 Displacement of node 9734in top-level of B tower in Xaxial

圖21 A塔樓X軸向最大層間位移角Fig.21 The maximum story drift angle of A Tower on Xaxial

圖22 A塔樓Y軸向最大層間位移角Fig.22 The maximum story drift angle of A Tower on Yaxial

圖23 B塔樓X軸向最大層間位移角Fig.23 The maximum story drift angle of B Tower on Xaxial

圖24 B塔樓Y軸向最大層間位移角Fig.24 The maximum story drift angle of B Tower on Yaxial

從圖21～圖24可以看出，本建結(jié)構(gòu)在EI地震波和人工地震波Ⅰ作用下的最大層間位移角的變化情況大致相同，最大層間位移角的大小也幾乎相等.而在天然地震波Ⅰ作用下，本結(jié)構(gòu)的最大層間位移角較大，尤其是X軸向的層間位移角大.根據(jù)抗震規(guī)范，在EI波和人工波Ⅰ的作用下，結(jié)構(gòu)X軸向及Y軸向的最大層間位移角均小于1／800，結(jié)構(gòu)處于安全工作狀態(tài).在天然波Ⅰ的作用下，本結(jié)構(gòu)的A塔樓及B塔樓的最大層間位移角都大于1／800而小于1／400，說明本建筑結(jié)構(gòu)正處于輕微損壞的工作狀態(tài).

圖25～圖27為本建筑結(jié)構(gòu)在3種地震波作用下的部分總位移變化圖，可以看出，地震作用下，A塔樓與B塔樓的位移變化方向不一定相同，大致有以下3種情況：①往同一方向倒；②相互遠(yuǎn)離及相互靠近；③繞各自的質(zhì)心相互扭轉(zhuǎn).

圖25 EI波t＝1.02s的總位移Fig.25 Total displacement of EI wave when t＝1.02s

圖26 人工波Ⅰt＝1.22s的總位移Fig.26 Total displacement of artificial waveⅠwhen t＝1.22s

圖27 天然波Ⅰt＝1.22s的總位移Fig.27 Total displacement of natural waveⅠwhen t＝1.22s

從圖28～圖29可以看出，本建筑結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)為1～3層的底層框架及頂層連體鋼架，在汶川地震波作用下，底層框架發(fā)生失穩(wěn)的變形，而頂層連體鋼架由于受力過大，扭轉(zhuǎn)變形特別明顯.從本建筑結(jié)構(gòu)在汶川地震波作用下的位移突變圖與連體鋼架剪力與彎矩圖可以看出，本建筑結(jié)構(gòu)底層框架很易發(fā)生破壞；頂層的連體鋼架由于A塔樓與B塔樓之間的不同方向變形而受擠壓，連體鋼架結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形較大.

圖28 天然波Ⅰt＝0.02s的總位移Fig.28 Total displacement of natural waveⅠwhen t＝0.02s

圖29 天然波Ⅰt＝2.42s的總位移Fig.29 Total displacement of natural waveⅠwhen t＝2.42s

通過地震時程分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）時程分析結(jié)構(gòu)的位移、扭轉(zhuǎn)變形明顯較大，尤其是在天然波Ⅰ（汶川地震波）的作用下對結(jié)構(gòu)的影響較大；

（2）底層框架及頂層連體鋼架在時程分析時，這些部位發(fā)生位移、轉(zhuǎn)角及受力的突變；在天然波Ⅰ（汶川地震波）作用下的時程分析計(jì)算出的最大層間位移角小于1／400而大于1／800，表明本建筑結(jié)構(gòu)底層框架及頂層連體鋼結(jié)構(gòu)部位發(fā)生輕微損壞.

3 結(jié) 語

本文應(yīng)用ANSYS對成都中航國際廣場大廈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了量化動力分析，找到了薄弱部位主要為底層的框架結(jié)構(gòu)及頂層的連體鋼架結(jié)構(gòu)，需要采取相應(yīng)的加固措施.該研究成果為我國鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要量化依據(jù)，具有重要的意義和經(jīng)濟(jì)價值.另外，本文限于考慮地面以上結(jié)構(gòu)，對于地基對上部結(jié)構(gòu)的影響，尚待繼續(xù)探討.

［1］李圍.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［2］袁勇，雷青芳.大底盤雙塔復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.陜西建筑與建材，2004，12（3）：10-12.

［3］閆磊，朱宏平.地震作用下某雙塔樓高層建筑動力響應(yīng)研究［J］.國外建材科技，2005，26（6）：55-58.

［4］朱建博.成都中匯廣場大廈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析［D］.沈陽：沈陽大學(xué)，2009.

［5］曾支明，叢樹民.框架-剪力墻結(jié)構(gòu)高層地震問題的數(shù)值分析［J］.沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，23（6）：118-121.

Dynamic Force Analysis about Structure of Chengdu International Plaza Mansion

CONG Shumin，ZENG Zhiming，XU Suchao

（Architectural and Civil Engineering College，Shenyang University，Shenyang 110044，China）

ANSYS was applied to give a dynamic force analysis of Cheng Du International Plaza Mansion.There were more than 40 000nodes and more than 50 000elements in the ANSYS model，and the connection problem between different materials was solved in modeling process.Through quantitative analysis，the weak parts of the structure were found out.It is very important to take reinforcement measures for these weak parts.The study has important significance and economic value.

high-rise steel-concrete mixed connection structure；dynamic analysis；weak link；reinforcement and reconstruction

TU 973

A

1008-9225（2012）03-0060-07

2011-12-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50909092）.

叢樹民（1954-），男，遼寧鳳城人，沈陽大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師.

劉乃義】