高烈度區(qū)高層建筑時(shí)程分析研究

陳亮++張慶++張炳權(quán)++袁志敏++馬端++姚激

摘要：本文以昆明某高層建筑為例，介紹了高層建筑結(jié)構(gòu)有限元模型建立的過程以及模型驗(yàn)證的方法。依據(jù)場(chǎng)地類別、地震設(shè)防烈度、設(shè)計(jì)地震分組、結(jié)構(gòu)自振周期等因素，選擇地震波，在對(duì)地震波的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證基礎(chǔ)上，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震與罕遇地震下的地震響應(yīng)分析。研究結(jié)果為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了相關(guān)理論依據(jù)。

Abstract： In this paper， a high-rise building in Kunming is taken as an example to introduce the process of building the finite element model and the method of model verification. According to site classification， seismic intensity， grouping of design seismic， natural vibration period of structure and other factors， the seismic wave is selected， and based on the verification of the rationality of seismic wave， the seismic response of high rise-building structures under the condition of multiple earthquakes and rare earthquakes is analyzed. The research results provide a theoretical basis for the design of the structure.

關(guān)鍵詞： ETABS；時(shí)程分析；地震波輸入；高層建筑；動(dòng)力特性；地震反應(yīng)

Key words： ETABS；time history analysis；seismic wave input；high-rise building；dynamic characteristics；seismic response

中圖分類號(hào)：TU973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）22-0093-03

0 引言

隨著中國(guó)城市化的加速發(fā)展，越來越多的人進(jìn)入城市生活，城市中生活的人們對(duì)住房的需求也越來越迫切，高層建筑在城市中的應(yīng)用也越來越廣泛。但是由于我國(guó)地域面積遼闊，地質(zhì)類型多樣，尤其面臨地震威脅的地區(qū)也相對(duì)較多，特別是像云南省這樣處于高烈度地區(qū)的地方還有很多。如何在高地震烈度區(qū)建造高層建筑是結(jié)構(gòu)工程師需重點(diǎn)考慮的問題。本文以昆明8度區(qū)某高層建筑建設(shè)為例，介紹了高層建筑結(jié)構(gòu)有限元模型建立的過程以及模型驗(yàn)證的方法。依據(jù)場(chǎng)地類別、地震設(shè)防烈度、設(shè)計(jì)地震分組、結(jié)構(gòu)自振周期等因素，選擇地震波，在對(duì)地震波的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證基礎(chǔ)上，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震與罕遇地震下的地震響應(yīng)分析。研究結(jié)果為8度區(qū)建造類似高層建筑提供相關(guān)研究和設(shè)計(jì)施工以參考。

1 工程概況

某建筑長(zhǎng)68.16m，寬24.3m，總占地面積1656.288m2。地下1層，地上部分21層，其中地下部分層高4m，第1層至第21層為住宅，層高均為3.0m，建筑地面總高度為63m，采用現(xiàn)澆混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)形式，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.4g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期為0.4s。上部建筑結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30～C50，其標(biāo)準(zhǔn)層布置如圖1。

2 有限元模型的建立

依據(jù)工程設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，首先在PKPM中根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)建立模型，利用PKPM強(qiáng)大的建模與結(jié)構(gòu)分析功能進(jìn)行初步的計(jì)算，然后利用相關(guān)的YJK軟件將PKPM的模型導(dǎo)入ETABS軟件進(jìn)行相關(guān)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力部分計(jì)算。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?？紤]地下室和基礎(chǔ)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的作用，模型的X軸方向沿結(jié)構(gòu)平面長(zhǎng)邊方向，Y軸方向沿結(jié)構(gòu)平面短邊方向，Z軸方向沿模型高度方向，向上為正。

考慮到PKPM軟件建立的模型導(dǎo)入ETABS軟件時(shí)存在產(chǎn)生誤差的可能，因此根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，需要對(duì)PKPM軟件與EATBS軟件中的同一棟建筑結(jié)構(gòu)模型的質(zhì)量、周期值進(jìn)行對(duì)比，確保兩種軟件中的同一棟建筑結(jié)構(gòu)模型誤差在規(guī)定的范圍。采用PKPM軟件中的SATWE模塊計(jì)算模型的質(zhì)量、周期值，SATWE與EATBS分別計(jì)算得到的質(zhì)量與周期值及其誤差檢驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。從表1可以看出，兩者差值為0.049%；從表2可以看出，二階振型兩者差值最大，為4.881%。從表1與表2可以看出，導(dǎo)入ETABS軟件的模型與PKPM軟件建立的模型的誤差滿足規(guī)范規(guī)定要求。從表3可以看出，ETABS計(jì)算的模型與SATWE模型地震剪力除了在結(jié)構(gòu)頂層之外的差值都很小，所以由PKPM軟件導(dǎo)入ETABS軟件的模型滿足計(jì)算要求。

3 輸入地震波選取的原則

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010的規(guī)定：“對(duì)于特別不規(guī)則的高層建筑，應(yīng)該采用時(shí)程分析進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。”采用時(shí)程分析法時(shí)，應(yīng)該選用不少于2條的實(shí)際記錄和1條人工模擬的加速度時(shí)程曲線，其平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。時(shí)程分析法計(jì)算所得的平均底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。

研究與分析表明：地震波的選取對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)影響巨大，由于地震動(dòng)具有隨機(jī)性和不確定性，所以如何選擇合理科學(xué)的地震波對(duì)于分析結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析以及建筑的地震響應(yīng)十分重要。研究表明選擇地震波時(shí)應(yīng)該考慮三個(gè)因素，即地震動(dòng)強(qiáng)度、地震動(dòng)頻譜特征與振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。

4 地震反應(yīng)分析

4.1 地震波選取

對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，需要選用兩條實(shí)際強(qiáng)震記錄和一條人工模擬地震波?？紤]場(chǎng)地類別、地震設(shè)防烈度、設(shè)計(jì)地震分組、結(jié)構(gòu)自振周期等因素后，參考工程場(chǎng)地的地質(zhì)環(huán)境評(píng)估報(bào)告和相關(guān)參數(shù)以及規(guī)范要求等資料。選擇一條人工模擬的地震波（1#）、兩條自然地震波（2#與3#）波形如圖3所示。時(shí)程曲線擬合反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比如圖4所示。3條地震波時(shí)程平均值與規(guī)范反應(yīng)譜在前三階周期點(diǎn)上的對(duì)比值如表4所示。從表4可以看出，對(duì)于模型的前三個(gè)周期，時(shí)程平均影響系數(shù)與規(guī)范反應(yīng)譜影響系數(shù)的誤差發(fā)生在第一周期，誤差7.02%，總體誤差較小。這表明選擇分析用的三條地震波合理。

4.2 計(jì)算結(jié)果與分析

分別沿建筑結(jié)構(gòu)X向和Y向輸入調(diào)整后的地震波，采用時(shí)程分析法，分析結(jié)構(gòu)在多遇地震與罕遇地震的地震響應(yīng)。其中多遇地震分析時(shí)，根據(jù)設(shè)防烈度，將3條地震波的加速度峰值都分別調(diào)整到70cm/s2；罕遇地震分析時(shí)，根據(jù)設(shè)防烈度，將3條地震波的加速度峰值都分別調(diào)整到400cm/s2。計(jì)算得到結(jié)構(gòu)層頂在多遇和罕遇地震作用下的位移時(shí)程曲線如圖5～圖8所示。

從上圖可以看出，在多遇地震作用下，頂層X向節(jié)點(diǎn)位移最大值約為64mm，頂層Y向節(jié)點(diǎn)位移最大值約為13mm；在罕遇地震作用下，頂層X向節(jié)點(diǎn)位移最大值約為380mm，頂層Y向節(jié)點(diǎn)位移最大值約為65mm。模型X方向的側(cè)移大于Y方向的側(cè)移，這表明模型X方向的側(cè)移剛度大于Y方向的側(cè)移剛度。此外，從圖還可以看出，每條波引起的結(jié)構(gòu)側(cè)移存在明顯的差異。這是因?yàn)槊織l波的卓越周期不同所導(dǎo)致。從圖還可以看出，3#自然波引起的結(jié)構(gòu)側(cè)移最大，1#自然波引起的結(jié)構(gòu)側(cè)移最小。這表明：3#人工波的卓越周期與結(jié)構(gòu)的自振周期差異最小。結(jié)構(gòu)模型對(duì)不同的波差異較大，因此選擇合理的地震波是結(jié)構(gòu)時(shí)程分析合理性的關(guān)鍵。

5 結(jié)論

目前高層建筑的使用與應(yīng)用范圍越來越廣泛，本文以昆明地區(qū)某實(shí)際在建工程為實(shí)例，利用PKPM建模與ETABS有限元軟件進(jìn)行建模與結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析，得到如下結(jié)論：①結(jié)構(gòu)在不同的地震波作用下的反應(yīng)存在顯著的差異。選擇地震波的時(shí)候，需要考慮地震動(dòng)三要素。時(shí)程平均影響系數(shù)與規(guī)范反應(yīng)譜影響系數(shù)差異較小時(shí)，選擇的地震波合理。②當(dāng)?shù)卣鸩ǖ淖吭街芷谂c結(jié)構(gòu)的自振周期差異較小時(shí)，結(jié)構(gòu)地震波引起結(jié)構(gòu)的側(cè)移較大。

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