重慶某超高層建筑結構彈性抗震性能分析

孔德坤

(CM CU·中聯建筑，重慶400039)

重慶某超高層建筑結構彈性抗震性能分析

孔德坤

(CM CU·中聯建筑，重慶400039)

1 前言

重慶某超高層結構總建筑面積170354.6m2，其中地上總建筑面積112089m2，地下建筑面積54218.94m2。建筑地下部分8層，高度35.95m，地上塔樓層數58層，共計282.3m。平面布置如圖1、圖2，剖面圖見圖3。

圖1 裙房典型平面圖

圖2 一層塔樓平面圖

圖3 塔樓剖面圖

1.1 分析軟件與計算模型

依據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）第5.1.12，5.1.13條的要求，該工程需要采用兩種不同力學模型的結構分析軟件進行結構整體計算，并應采用彈性時程分析進行補充計算。因此，該工程采用了如下軟件分別進行結構整體彈性計算和時程分析：

（1）SATW E（2011.3月版）。

（2）ETABS（9.7.4）。

（3）M IDAS-Building（Ver.112.R3）。

計算模型中定義了豎向荷載和水平荷載工況，其中豎向荷載工況包括結構自重，附加恒荷載以及活荷載，水平荷載工況包括地震作用和風荷載。對于小震的水平地震作用考慮雙向地震以及偶然偏心的影響；考慮不同方向的地震作用；計算了豎向地震作用。地震作用的計算采取振型分解反應譜法，并采用了時程分析法進行補充計算。計算中考慮了結構的重力二階效應。

1.2 計算參數

抗震設防烈度：6度?？拐鹪O防類別：乙類。設計地震分組：第一組。場地類別：Ⅰ1類。風壓：0.45kN/m2(結構強度驗算)；0.40kN/m2(層間變形驗算)。

根據規范及安評報告，所取的地震加速度為小震：20cm/ s2。

2 結構抗震性能分析

2.1 周期和振型信息

采用SATW E、ETABS和M IDAS計算，取前5階振型進行對比分析，具體信息如表1所示。

表1 結構前9個振型周期

由上表可見三種軟件輸出的周期和振型較為吻合，可初步判定模型的分析結果準確、可信；三種軟件計算的振型質量參與系數均滿足規規定大于90%的要求[4]、[5]；第一扭轉周期和第一平動周期的比值均小于規范0.85的限值[4]。

2.2 風荷載和地震作用下結構樓層剪力與傾覆力矩比較

圖4、圖5對小震、中震及風荷載作用下的樓層剪力及傾覆力矩進行比較。各種工況下的底層剪力和傾覆力矩值見表2和表3。

圖4 風荷載和小震樓層剪力比較

圖5 風荷載和小震樓層傾覆力矩比較

從以上圖表得出，在彈性設計階段，風荷載引起底層剪力、傾覆力矩大于小震作用工況，風荷載起控制作用。

2.3 結構彈性設計控制參數驗算

2.3.1 層間位移角

本節研究多遇地震、設防地震和50年風荷作用下層間位移角的分布情況（圖6～圖10），并將最大樓層層間位移角與抗震性能目標進行對比（表3）。

由以上圖表可見，小震和50年基準期風荷載作用下，結構最大層間位移角小于1/500[4]，底層最大層間位移角小于1/2000，在小震、50年基準期風荷載作用下，結構層間位移角滿足既定抗震性能目標。

2.3.2 扭轉位移比[4]

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）第3.4.5條規定，在考慮偶然偏心影響的規定水平地震力作用下，樓層豎向構件最大的水平位移和層間位移，B級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.4倍。當樓層的最大層間位移角不大于規范規定的限值的40%，該層豎向構件的最大水平位移和層間位移與該層平均值的比值可適當放松，但不應大于1.60。

表2 底層剪力及傾覆力矩表（kN，kN·m）

表3 樓層最大層間位移角

圖6 SATWE層間位移角圖（小震和50年風）

圖7 MIDAS層間位移角圖（小震和50年風）

圖8 ETABS層間位移角圖（小震和50年風）

表4 樓層最大位移比

從表4、圖9、圖10可以看出，由于塔樓結構平面布置比較規則，樓層位移比和層間位移比均小于1.2；裙房部分由于結構體型相對較為復雜，位移比相對較大，設計時應考慮雙向地震作用扭轉效應。

圖9 樓層位移比圖

圖10 層間位移比圖

2.3.3 樓層側向剛度比（表5）倍，滿足嵌固端設計要求。

表5 樓層側向剛度本層與相鄰上層的比值（不規則層）

（2）結構抗側剛度分別在第6、15、16、30、31、41、43層出現一定程度的突變。其中第6層為裙房以上第一層，第15、30、41層抗側剛度較其相鄰上層偏大，其原因是該部分樓層相鄰上層均為層高較大層，抗側剛度相對較弱。ETABS計算結果突變最為明顯，而M IDAS和SATW E計算結果變化不大，因此應適當加大層高較大層抗側力構件剛度予以改善。

（3）第16、31、43層由于層高大于相鄰上層，抗側剛度相對其上一層偏小，尤其第16層三種軟件結果均小于規范要求限值，屬軟弱層，設計中通過地震力放大系數對結構抗側剛度進行調整[4]（圖11）。

圖11 樓層與相鄰上層側向剛度的90%、110%或150%的比值圖

表6 樓層抗側力結構的層間受剪承載力與相鄰上一層的比值（不規則層）

圖12 樓層與相鄰上層抗剪承載力比圖

2.3.5 樓層剪重比

依據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）第4.3.12條要求，多遇水平地震作用下，對于6度區基本周期大于5s的結構，結構各樓層的最小地震剪力系數為0.6%[1，2，4]。

表7 樓層最小剪重比

圖13 樓層剪重比圖

從表7、圖13中可以看出，SATWE、M IDAS、ETABS計算的樓層剪重比均大于或者等于規范規定限值。

2.3.6 結構沿樓層質量分布

依據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）第3.5.6 條要求，樓層質量沿高度宜均勻分布，樓層質量不宜大于相鄰下部樓層質量的1.5倍。

表8 不同模型結構總質量表

圖14 質量沿樓層分布及質量比圖

從表8、圖14可見，三種軟件模型的總質量和樓層質量分布十分接近，塔樓樓層質量比除頂層設備層外均滿足規范要求，建議適當減少或優化頂層設備質量或者增加其下一層的樓層質量。

2.3.7 結構整體穩定性（剛重比）

圖15 懸臂桿模型

圖16 樓層重力荷載設計值累計

表9 修正后結構剛重比表

從圖15、圖16、表9可見，在對剛重比限值進行修正后[3-4]，三種軟件計算結果均表明該工程結構整體穩定性滿足要求。

2.4 結構彈性時程驗算

依據中國《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）和《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）的有關規定，該工程選取5條天然波和2條人工波[4]（表10）。

2.4.1 底部剪力

彈性時程分析所得的底部剪力如表11所示，上述7組時程曲線主方向作用下的底部剪力大于振型分解反應譜法計算結果的65%，且平均值為反應譜計算結果的80%以上，滿足規范的要求。

2.4.2 樓層剪力

圖17 時程分析與反應譜分析樓層剪力比較(MIDAS)

圖18 時程分析與反應譜分析樓層剪力比較(ETABS)

表10 地震波選用表

表11 ETABS基底剪力比較表

由圖17、圖18可以看出，反應譜計算的樓層剪力小于7組時程分析的樓層剪力平均值。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）4.3.5條，建議地震作用效應取時程分析計算結果的平均值的進行設計[4]。

2.4.3 層間位移角

圖19 時程分析與反應譜分析層間位移角比較（MIDAS）

圖20時程分析與反應譜分析層間位移角比較（ETABS）

圖19 、圖20表明，7組時程分析的最大層間位移角平均值總體略大于反應譜計算結果，且均小于1/ 500的抗震性能目標[4]。

3 結論

該工程為超限高層建筑工程，通過多個程序的詳細計算比較，該工程具有良好的彈性抗震性能，有如下幾個結論：

（1）建議適當減少或優化頂層設備質量或者增加其下一層的樓層質量，使塔樓各樓層質量比均滿足規范的要求。

（2）在彈性設計階段，風荷載引起底層剪力、傾覆力矩大于小震作用工況，風荷載起控制作用。

（3）結構的層間位移角、扭轉位移比、側向剛度比、層間受剪承載力比等指標均滿足規范要求。

（4）反應譜計算的樓層剪力小于7組時程分析的樓層剪力平均值建議地震作用效應取時程分析計算結構的平均值進行設計。

（5）該工程核心筒在16層、31層、43層處收進，結構整體剛度突變，因此在后期設計中應加強這幾層結構剛度，并適當提高收進部位剪力墻墻體配筋率和邊緣構件配筋率。

[1]王亞勇.關于建筑抗震設計最小地震剪力系數的討論[J].建筑結構學報.2013(2).

[2]任西京，吳喜珍.抗震設計中底部剪力系數與基本自振周期[J].建筑結構.2001(3).

[3]徐培福,肖從真.高層建筑混凝土結構的穩定設計[J].建筑結構.2001(8).

[4]中華人民共和國住房與城鄉建設部.JGJ3-2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[5]中國建筑科學研究院.GB50011-2010建筑抗震設計規范[D].北京：中國建筑工業出版社，2010.

Analysison Elastic Seism ic Performance of A superHigh-rise Structure in Chongqing

重慶某超高層建筑共66層，建筑高度282.3m。針對此類復雜結構的抗震分析，應采用兩種及兩種以上的力學模型。該文利用PKPM、M IDAS、ETABS三種軟件對該超高層結構進行彈性分析，得出該結構彈性抗震性能符合國家現行規范的要求。

樓層剪力；傾覆力矩；層間位移角；扭轉位移；樓層側向剛度；樓層質量分布

The superhigh-rise structure in Chongqing has66 floorswith the totalheightof282.3meters.To analyze the seismic performance of a complicated structure like this one,two ormoremechanicalmodel are demanded.In this paper,three kinds of software,including PKPM,M IDAS and ETABS,are adopted to analyze the elastic seismic performance of this structure.The results show that the elastic seismic performance of the structure meets the currentnationalstandard requirements.

storey shear force;capsizingmoment;interlayer displacementangle;torsional displacement;lateral stiffness;Floorquality distribution

[TU355]

A

1671-9107（2013）11-0049-07

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.11.049

2013-09-27

孔德坤（1983-），男，安徽亳州人，研究生，工程師，主要從事結構設計工作。