基于PKPM和Midas Gen的超限高層有限元分析

賀 忱 谷明洋

(1.廈門市市政工程設(shè)計院有限公司重慶分院，重慶 401122; 2.大連理工大學土木水利學院，遼寧 大連 116024)

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基于PKPM和Midas Gen的超限高層有限元分析

賀 忱1谷明洋2

(1.廈門市市政工程設(shè)計院有限公司重慶分院，重慶 401122; 2.大連理工大學土木水利學院，遼寧 大連 116024)

以一幢甲級寫字樓為主的大型超高層建筑為例，采用有限元分析軟件，模擬分析了該超高層結(jié)構(gòu)在地震動作用下的受力狀況，并進行了模態(tài)、反應(yīng)譜和彈塑性時程分析，從而保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性。

框架核心筒結(jié)構(gòu)，有限元軟件，模態(tài)分析，彈塑性時程分析

0 引言

隨著現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜性日益增大,對結(jié)構(gòu)振動分析提出了越來越高的要求，有限元分析技術(shù)的發(fā)展對結(jié)構(gòu)振動分析有至關(guān)重要的影響，其中的關(guān)鍵和核心是要實現(xiàn)大規(guī)模、高精度和高效率計算分析，以滿足可靠性和安全性要求越來越高的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計需要?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計目標是使結(jié)構(gòu)在一定的經(jīng)濟技術(shù)條件下，保證所設(shè)計的結(jié)構(gòu)在未來的地震中達到抗震設(shè)防的目標，掌握結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞狀態(tài)。本文以一幢甲級寫字樓為主的大型超高層建筑為例，建筑高度約為303.6 m，共71層,采用PKPM，Midas Gen兩種有限元軟件，模擬分析超高層結(jié)構(gòu)在地震動作用下的受力狀況，并進行模態(tài)、反應(yīng)譜和彈塑性時程分析的對比。

1 工程概況

建筑高度：303.6 m。層數(shù)：本設(shè)計為71層超甲級寫字樓，1層～3層為商業(yè)，層高6 m；標準層層高：4.5 m(為超B類建筑)。結(jié)構(gòu)體系：框架核心筒—伸臂桁架多重抗側(cè)體系；高寬比：303.6/47.1=6.45<7；總建筑面積為：157 507.11 m2；避難層設(shè)計：在15層，34層，57層分別設(shè)置避難層(兼做設(shè)備層)。設(shè)備層和避難層加強層一塊設(shè)置，設(shè)備管道集中布置，并用耐火極限不低于1.00 h的防護墻。避難層設(shè)消防電梯出口，普通客梯嚴禁在避難層?？?。

2 設(shè)計依據(jù)

1)GB 50223—2008建筑工程抗震設(shè)防分類標準；2)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范；3)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范；4)GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范；5)GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范；6)JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程；7)JGJ 99—98高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程。

3 結(jié)構(gòu)初步設(shè)計

3.1 材料選擇

核心筒混凝土采用C60，鋼管混凝土柱中混凝土采用C60，壓型鋼板上澆混凝土樓板采用C30，參考GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。縱向鋼筋采用HRB400，箍筋主要采用HPB300，設(shè)計材料參數(shù)符合GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求。

3.2 荷載及截面設(shè)計尺寸

共有8個結(jié)構(gòu)標準層，圖1為帶有伸臂桁架和環(huán)帶桁架的加強層的布置，樓層荷載見表1，主、次梁及柱子設(shè)計截面特性見表2，表3。

表1 樓層荷載

平面區(qū)域恒荷載活荷載荷載標準值荷載設(shè)計值4層～33層核心筒內(nèi)6．455．42613844911．8761384515．5413661434層～56層核心筒內(nèi)6．454．80925592911．2592559314．8011071157層～71層核心筒內(nèi)6．454．61803086711．0680308714．571637044層～33層核心筒外5．7393．511．23912．234634層～56層核心筒外5．7393．511．23912．234657層～71層核心筒外5．7393．511．23912．2346

表2 主、次梁設(shè)計截面特性

表3 柱子設(shè)計截面特性

3.3 設(shè)計地震反應(yīng)譜

根據(jù)方案設(shè)計，本工程抗震設(shè)計采用加速度反應(yīng)譜，并采用GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范，以下簡稱“抗規(guī)”確定的反應(yīng)譜函數(shù)及相應(yīng)參數(shù)取值方法。

由于本項目為超高層建筑，設(shè)計地震分組為二組，場地類別為Ⅱ類場地，地震設(shè)防烈度為7度，場地的特征周期為0.04 s,結(jié)構(gòu)的阻尼為0.05，因此根據(jù)規(guī)范公式畫出的反應(yīng)譜見圖2。

4 Satwe和Midas Gen進行模態(tài)分析

計算了結(jié)構(gòu)的前15個周期，表4僅給出第1、第5、第10以及第15個周期的計算結(jié)果。

圖3a)為Satwe生成的自振模態(tài)，圖3b)為Midas Gen生成的自振模態(tài)。

表4 周期計算結(jié)果

結(jié)構(gòu)周期PKPM(Satwe模塊)MidasGen周期誤差16．9746．7770．29151．59751．6680．070100．4610．4860．025150．2830．3100．028

5 Midas Gen在反應(yīng)譜作用下的節(jié)點分析

圖4為反應(yīng)譜作用下結(jié)構(gòu)一階振型的變形和節(jié)點慣性力的計算結(jié)果。

6 在Midas Gen中彈塑性時程分析

6.1 選波方式

1)根據(jù)抗規(guī)5.1.5用Excel作出規(guī)范譜的基本數(shù)據(jù)；2)登陸到peer網(wǎng)站進入目標反應(yīng)譜選擇頁面；3)選定準備好的目標反應(yīng)譜“.csv”文件，“Upload”；4)對生成的反應(yīng)譜進行對數(shù)坐標等一系列轉(zhuǎn)換，在地震動記錄搜索頁面搜索符合條件的地震波；5)采用Excel選取上述地震波中某些周期點的加速度幅值與規(guī)范譜大致吻合的波譜，將得到的地震波導(dǎo)入PKPM和Midas Gen中進行時程分析。

6.2 彈塑性時程分析結(jié)果

找出整個結(jié)構(gòu)的位移、加速度的時程結(jié)果。以地震波RSN75為例，位移與加速度時程分析結(jié)果見圖5，圖6。

7 結(jié)語

通過本文的計算與分析，可以得出如下初步結(jié)論:1)本工程采用框架—核心筒體系作為超高層的基本體系，以伸臂桁架和剪力墻核心筒作為主抗側(cè)力結(jié)構(gòu)；分別利用PKPM和Midas Gen建模并進行地震作用下的彈性和彈塑性時程分析，考察結(jié)構(gòu)在小震和罕遇地震作用下的振動響應(yīng)，并進行對比分析，計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。綜上所述，本超高層建筑采用框架核心筒—伸臂桁架多重抗側(cè)體系可行。2)工程設(shè)計采用有限元法分析與仿真是準確可靠的。Satwe,Midas Gen等有限元軟件為超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了巨大方便，并且由于分析結(jié)果的準確性，使結(jié)構(gòu)可靠度進一步提高。相信未來隨著有限元軟件的不斷發(fā)展和完善，實際工程的安全度將會得到更大保證。

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The super high-rise building finite element analysis based on PKPM and Midas Gen

He Chen1Gu Mingyang2

(1.ChongqingBranch,XiamenMunicipalEngineeringDesignInstituteLimitedCompany,Chongqing401122,China; 2.CivilEngineeringandWaterResourcesInstitute,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

Taking large-scale high-rise building mainly of a grade A office as an example, using the finite element analysis software, this paper simulation analyzed the force of the super high-rise structure under earthquake action, and made modal, response spectrum and elastic-plastic time history analysis, so as to ensure the safety of building structure.

frame core tube structure, finite element software, modal analysis, elastic plastic time history analysis

1009-6825(2016)26-0048-03

2016-07-09

賀 忱(1984- )，女，工程師； 谷明洋(1992- )，男，在讀碩士

TU311.41

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