某高層建筑物結構動力特性和地震反應分析

李 超 郭艷坤

1 河南省省直機關房屋建設開發公司（450003） 2 中州大學（450044）

某高層建筑物結構動力特性和地震反應分析

李 超 郭艷坤

1 河南省省直機關房屋建設開發公司（450003） 2 中州大學（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，對此建筑的結構動力特性進行分析，來推導陣型分解法中的合理振型數量，并采用非線性時程分析，分析該建筑物在多遇地震和罕遇地震作用下該結構的地震反應。

Etabs；動力特性；時程分析

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。該高層現澆鋼筋混凝土框架剪力墻結構的抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20，設計地震為第一組，建筑場地類別為Ⅱ。

2 有限元

根據結構構件的實際尺寸和受力狀態進行詳細的建模。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對上部結構的作用,將±0.000以下部分視為固結于地面。所以在Etabs中結構力學模型的底部支座選用固定支座。

3 結構動力特性

根據《高層建筑混凝土技術規程》的規定,在抗震計算時,計算振型數時應使振型參與質量不小于總質量的90%。為此,用Etabs計算了結構前18階振型以分析高階振型對結構的影響。因為結構沒有考慮豎向質量,所以振型數據中沒有出現豎向陣型。通過質量參與比分析，可以判斷結構第一振型是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方向的轉動。

由質量參與系數反應出該建筑結構的振動形式為平移—扭轉耦連。結構前11階累計質量參與系數各個方向都大于90%,在結構后4階振型中,累計質量參與系數增長的比較小,X方向增長了3.6%，Y方向增長2.9%，Z軸旋轉增長0.4%，從中可以看出后4個振型對結構的質量參與系數影響不大。

圖1 Etabs模型

雖然高階振型質量參與系數的增長不大，但從表1中可以看出，在高振型中,15、18階對結構有較大影響,所以在計算高層建筑結構分析中,考慮高階振型是有必要的。因此,取前11個振型進行CQC組合基本能反應出結構的真實受力情況，也符合質量參與系數大于90%的規定，這也驗證了我國規范的正確性。

4 地震反應分析

4.1 地震波選取

試驗對該建筑進行了動力時程分析，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，人工波則根據場地地震地質環境評價報告提供的地震動參數生成了符合規范的平均值作為時程分析的代表值。分別沿建筑物X和Y向對結構進行了多遇地震作用和罕遇地震作用的時程分析，根據《高層建筑混凝土技術規程》的要求，分別將三條波在多遇地震和罕遇地震作用時的加速度峰值分別調整為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點位移時程曲線可以得到以下結論:

表1 振型質量參與系數

圖2 頂層在X向在多遇地震作用下節點位移時程曲線（左）

圖3 頂層在X向在罕遇地震作用下節點位移時程曲線（右）

圖4 頂層在Y向在多遇地震作用下節點位移時程曲線（左）

圖5 頂層在Y向在罕遇地震作用下節點位移時程曲線（右）

1）Taft波引起結構的側移最大,EL Centro波次之,人工波最小,這反應出地震波的卓越周期與結構自振周期的接近程度；EL Centro波最接近,Taft波次之,人工波最遠。

2）地震波在Y向引起的側移與X向的側移差不多,說明結構的X和Y向剛度相當。

3）不同的波產生結構最大側移的時刻是不同的，這說明結構對不同特征的地震波的反應不同,體現在對結構進行分析時地震波選取的重要性。

4.2 結構最大水平位移和最大層間位移

《高層建筑混凝土技術規程》規定，按彈性方法計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組地震波對結構產生的最大層間側移角均在該限值之內,滿足規范的要求,并且Taft波引起的結構最大側移最大,反應譜次之,EL Centro與人工波引起側移較小。

表2 多遇地震作用下最大側移和最大層間側移

5 結語

高層及超高層建筑結構在實際工程中的應用越來越廣泛,但是結構形式也越來越復雜,對超高層建筑結構的動力特性，建筑物在罕遇地震作用下的反應分析越來越重要，已成為超高層結構設計的一個重要部分。

以某高層建筑為研究對象，采用Etabs分析軟件，對此建筑的結構動力特性和地震作用下的反應進行分析。通過對結構動力特性的分析，得到合理振型數的選取決定了分析精度的高低，對于本結構平動—扭轉耦連的振動形式,通過分析本結構的周期、振型以及振型質量參與系數可知,取前11階振型作分析能夠較精確地反應出結構的實際受力狀態；在地震反應分析過程中對地震波的合理選取是至關重要的,它可以幫助設計者來分析在地震作用下建筑物的受力性能。

[1]JGJ 186-2002,高層鋼筋混凝土結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

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

[3]全國民用建筑工程設計技術措施.建筑結構,2003.

[4]梁進財,侯立新,李景望,暴偉.Etabs種一些重要參數的設置和輸出[J].黑龍江科技信息,2008,23.