李 超 郭艷坤

1 河南省省直機(jī)關(guān)房屋建設(shè)開發(fā)公司（450003） 2 中州大學(xué)（450044）

某高層建筑物結(jié)構(gòu)動力特性和地震反應(yīng)分析

李 超 郭艷坤

1 河南省省直機(jī)關(guān)房屋建設(shè)開發(fā)公司（450003） 2 中州大學(xué)（450044）

某市中心地段的一棟鋼混剪力墻高層建筑，采用Etabs分析軟件，對此建筑的結(jié)構(gòu)動力特性進(jìn)行分析，來推導(dǎo)陣型分解法中的合理振型數(shù)量，并采用非線性時(shí)程分析，分析該建筑物在多遇地震和罕遇地震作用下該結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

Etabs；動力特性；時(shí)程分析

1 工程概況

擬建的該高層建筑位于某市的中心地段，建筑占地1 793.22 m2(72.6 m×24.7 m),該建筑地下2層,地上18層,地下室高度均為4.5 m，第一層層高為4.8 m，第二、三層層高均為4.2 m，其余層高為3.0 m，建筑總高度為67.2 m，高寬比為2.72。該高層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20，設(shè)計(jì)地震為第一組，建筑場地類別為Ⅱ。

2 有限元

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際尺寸和受力狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的建模。在模型中梁、柱采用桿單元,剪力墻的墻肢和連梁采用墻和殼單元,樓板采用膜單元。在不考慮地下室和基礎(chǔ)對上部結(jié)構(gòu)的作用,將±0.000以下部分視為固結(jié)于地面。所以在Etabs中結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的底部支座選用固定支座。

3 結(jié)構(gòu)動力特性

根據(jù)《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定,在抗震計(jì)算時(shí),計(jì)算振型數(shù)時(shí)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%。為此,用Etabs計(jì)算了結(jié)構(gòu)前18階振型以分析高階振型對結(jié)構(gòu)的影響。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)沒有考慮豎向質(zhì)量,所以振型數(shù)據(jù)中沒有出現(xiàn)豎向陣型。通過質(zhì)量參與比分析，可以判斷結(jié)構(gòu)第一振型是X方向的平動，第二振型仍然是X方向的平動，第三振型為沿Z方向的轉(zhuǎn)動。

由質(zhì)量參與系數(shù)反應(yīng)出該建筑結(jié)構(gòu)的振動形式為平移—扭轉(zhuǎn)耦連。結(jié)構(gòu)前11階累計(jì)質(zhì)量參與系數(shù)各個(gè)方向都大于90%,在結(jié)構(gòu)后4階振型中,累計(jì)質(zhì)量參與系數(shù)增長的比較小,X方向增長了3.6%，Y方向增長2.9%，Z軸旋轉(zhuǎn)增長0.4%，從中可以看出后4個(gè)振型對結(jié)構(gòu)的質(zhì)量參與系數(shù)影響不大。

圖1 Etabs模型

雖然高階振型質(zhì)量參與系數(shù)的增長不大，但從表1中可以看出，在高振型中,15、18階對結(jié)構(gòu)有較大影響,所以在計(jì)算高層建筑結(jié)構(gòu)分析中,考慮高階振型是有必要的。因此,取前11個(gè)振型進(jìn)行CQC組合基本能反應(yīng)出結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力情況，也符合質(zhì)量參與系數(shù)大于90%的規(guī)定，這也驗(yàn)證了我國規(guī)范的正確性。

4 地震反應(yīng)分析

4.1 地震波選取

試驗(yàn)對該建筑進(jìn)行了動力時(shí)程分析，分別選用2條天然波和1條人工波:天然波選擇EL Centro波、Taft波，人工波則根據(jù)場地地震地質(zhì)環(huán)境評價(jià)報(bào)告提供的地震動參數(shù)生成了符合規(guī)范的平均值作為時(shí)程分析的代表值。分別沿建筑物X和Y向?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震作用和罕遇地震作用的時(shí)程分析，根據(jù)《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》的要求，分別將三條波在多遇地震和罕遇地震作用時(shí)的加速度峰值分別調(diào)整為70 gal和400 gal。

從EL Centro波、Taft波、人工波在多遇和罕遇地震作用下的節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線可以得到以下結(jié)論:

表1 振型質(zhì)量參與系數(shù)

圖2 頂層在X向在多遇地震作用下節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線（左）

圖3 頂層在X向在罕遇地震作用下節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線（右）

圖4 頂層在Y向在多遇地震作用下節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線（左）

圖5 頂層在Y向在罕遇地震作用下節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線（右）

1）Taft波引起結(jié)構(gòu)的側(cè)移最大,EL Centro波次之,人工波最小,這反應(yīng)出地震波的卓越周期與結(jié)構(gòu)自振周期的接近程度；EL Centro波最接近,Taft波次之,人工波最遠(yuǎn)。

2）地震波在Y向引起的側(cè)移與X向的側(cè)移差不多,說明結(jié)構(gòu)的X和Y向剛度相當(dāng)。

3）不同的波產(chǎn)生結(jié)構(gòu)最大側(cè)移的時(shí)刻是不同的，這說明結(jié)構(gòu)對不同特征的地震波的反應(yīng)不同,體現(xiàn)在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)地震波選取的重要性。

4.2 結(jié)構(gòu)最大水平位移和最大層間位移

《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，按彈性方法計(jì)算的樓層層間最大位移與層高之比在高度不大于150 m的框架—剪力墻、框架—核心筒、板柱—剪力墻的樓層層間，最大位移與層高之比的限值為1/800；在3組地震波對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大層間側(cè)移角均在該限值之內(nèi),滿足規(guī)范的要求,并且Taft波引起的結(jié)構(gòu)最大側(cè)移最大,反應(yīng)譜次之,EL Centro與人工波引起側(cè)移較小。

表2 多遇地震作用下最大側(cè)移和最大層間側(cè)移

5 結(jié)語

高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用越來越廣泛,但是結(jié)構(gòu)形式也越來越復(fù)雜,對超高層建筑結(jié)構(gòu)的動力特性，建筑物在罕遇地震作用下的反應(yīng)分析越來越重要，已成為超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分。

以某高層建筑為研究對象，采用Etabs分析軟件，對此建筑的結(jié)構(gòu)動力特性和地震作用下的反應(yīng)進(jìn)行分析。通過對結(jié)構(gòu)動力特性的分析，得到合理振型數(shù)的選取決定了分析精度的高低，對于本結(jié)構(gòu)平動—扭轉(zhuǎn)耦連的振動形式,通過分析本結(jié)構(gòu)的周期、振型以及振型質(zhì)量參與系數(shù)可知,取前11階振型作分析能夠較精確地反應(yīng)出結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)；在地震反應(yīng)分析過程中對地震波的合理選取是至關(guān)重要的,它可以幫助設(shè)計(jì)者來分析在地震作用下建筑物的受力性能。

[1]JGJ 186-2002,高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[2]北京金土木軟件技術(shù)有限公司.ETABS中文版使用指南[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005,12.

[3]全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施.建筑結(jié)構(gòu),2003.

[4]梁進(jìn)財(cái),侯立新,李景望,暴偉.Etabs種一些重要參數(shù)的設(shè)置和輸出[J].黑龍江科技信息,2008,23.