成都中航国际广场大厦结构动力分析

丛树民，曾支明，徐速超

（沈阳大学建筑工程学院，辽宁沈阳 110044）

成都中航国际广场大厦结构动力分析

丛树民，曾支明，徐速超

（沈阳大学建筑工程学院，辽宁沈阳 110044）

应用ANSYS对成都中航国际广场大厦进行了动力分析，所建模型节点40 000多个、单元50 000多个，在建模中解决了不同材料之间的节点连接问题.通过量化分析确定出该结构的薄弱部位，对这些薄弱部位采取加固措施至关重要.该项研究具有重要的意义和经济价值.

高层钢-混凝土混合连体结构；动力分析；薄弱环节；加固改造

在我国，现代高层建筑中各种新型的结构体系得到应用，多塔钢-混凝土混合连体结构体系是其中之一［1］.对该种建筑物进行动力分析，确定出该种结构的薄弱部位，为设计及加固提供量化依据，保证其安全至关重要.

1 成都中航国际广场大厦工程动力分析

1.1 工程概况

成都中航国际广场大厦位于成都市高新区，由两幢塔楼及附属裙楼组成.其中，A号塔楼为办公楼，18～20层，高度为73.3～81.8m；B号塔楼为酒店，19～21层，高度为73.9～80.9m；裙楼为商业及会议功能楼，3～4层，高度为17～21.7m.总建筑面积15.9万m2.

（1）抗震设防标准.原设计抗震设防烈度为7度，抗震设防类别为乙级（5层以下）、丙级（6层以上），设计地震分组为第三组，设计基本地震加速度值为0.1 g，多遇地震作用下水平地震影响系数最大值为0.08.场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.45s.

（2）主体结构特点.主体结构采用框架-剪力墙体系.结构高宽比为3.63（A塔楼）、1.63（B塔楼），出屋面高度6.1m、层数1层.裙房高度为19.45m，层数5层，裙楼中庭设抗震缝，连梁采用抗震支座与两侧相连.两塔楼顶部采用钢结构相连.

1.2 ANSYS模型的建立

主体结构中，梁、柱的连接按刚性连接处理；型钢与混凝土梁、柱的连接也按刚性连接处理.

ANSYS模型及网格划分情况如图1所示.

图1 中航国际广场大厦ANSYS网格划分图Fig.1 ANSYS meshing map of Chengdu International Plaza Mansion

2 成都中航国际广场大厦结构的模态分析

对结构进行模态分析，以得到结构或构件的固有频率与振型.

2.1 结构动力特性、自振周期与振型

通过对结构的模态分析，求得结构前10阶自振周期和频率，如表1所示.

表1 模态分析前10阶振型的固有频率和周期Table 1 Modal analysis of the natural frequency and periodic table of the first ten modes

从表1中可以看到，结构第二周期与第一周期之比为T2／T1＝0.97.表明结构X，Z方向周期相差点不大.满足《抗震规范》中“小于1”的规定.

图2～图7为模态分析前6阶自振周期的振型图：第1阶振型为沿X轴方向平动，B塔楼沿X轴方向平动明显；第2阶振型也为沿X轴方向平动，A塔楼与B塔楼沿X轴方向平动都明显；第3阶振型以X轴方向的平动为主，A塔楼相对B塔楼的平动较大；第4、第5阶振型A塔楼以X轴正方向的平动为主，B塔楼以绕Z轴的转动为主；第6阶振型运动变化与前5阶相似.前6阶振型都以扭转为主，在平动为主的振型中，伴有一定的扭转，扭转振型也有平动出现.

图3 第2阶振型图Fig.3 Libration mode graph of the second level

图4 第3阶振型图Fig.4 Libration mode graph of the third level

图5 第4阶振型图Fig.5 Libration mode graph of the fourth level

图6 第5阶振型图Fig.6 Libration mode graph of the fifth level

图7 第6阶振型图Fig.7 Libration mode graph of the sixth level

2.2 结构反谱分析

反谱理论是应用模态分析的结果与已知的谱联系起来进行位移、应力的分析，将各振型的反应最大值组合在一起得到坐标的最大值［2-5］.

2.3 结构模型反谱分析结果

图8、图9为成都中航国际广场大厦结构模型在反谱分析下的节点总位移图、节点总扭转图.从图8、图9可以看出，结构的变形方向主要以X轴向的平动为主，同时伴随Y向扭转和次方向的运动，通过顶层的等值曲线可以看到A塔楼与B塔楼结构绕各自刚心出现扭转效应.双塔结构最大位移出现在顶层，上部剪力墙的变形要大于下部框架结构，结构在地震作用下，基本满足正常使用的极限状态.

图8 反谱分析的总位移图Fig.8 Total displacement map of anti-spectral analysis

图9 反谱分析的总扭转图Fig.9 Total reverse map of anti-spectral analysis

本建筑结构反谱分析的层间位移角如图10～图13所示.由图10～图13可以看出，结构扭动较明显，但均小于规范规定的位移角限值（θc＝1／1 000）.层间位移角的变化趋势与振型的变化规律相统一，若加速度继续增大，局部结构将出现薄弱环节，需要进行加固处理.

图10 A座谱分析X向最大层间位移角Fig.10 Spectral analysis of the maximum story drift angle of A Tower on Xaxial

图11 B座谱分析X向最大层间位移角Fig.11 Spectral analysis of the maximum story drift angle of B Tower on Xaxial

图12 A座谱分析Y向最大层间位移角Fig.12 Spectral analysis of the maximum story drift angle of A Tower on Yaxial

2.4 结构的动力时程分析

本建筑结构动力时程分析的地震波有3类：①典型的地震波；②根据场地实际情况模拟的人工波；③建筑物所在场地的实际记录.

2.5 地震波的选取

本文选用反演后的EI波、合成的人工波及天然波分别进行动力时程分析，如图14～图16所示.EI波为实际地震所记录的加速度图，时间步长为0.02s，持续时间为15s，之后地震波的加速度趋于平缓，EI波的峰值加速度为341.7cm／s2）.人工波Ⅰ是按照本建筑结构设防7级地震的要求合成的人工波，最大加速度为399.26cm／s2）.天然波Ⅰ是2008年汶川地震实测的一段波，最大加速度为281.20cm／s2.施加地震作用的方向分别沿结构X，Z轴方向.

图13 B座谱分析Y向最大层间位移角Fig.13 Spectral analysis of the maximum story drift angle of B Tower on Yaxial

图14 反演后EI波加速度时程图Fig.14 Acceleration time-history diagram of EI wave after inversion

图15 人工波Ⅰ加速度时程图Fig.15 Acceleration time-history diagram of artificial waveⅠ

图16 天然波Ⅰ加速度时程图Fig.16 Acceleration time-history diagram of natural waveⅠ

2.6 结构动力时程分析结果

通过3组地震波对结构产生的位移进行比较，最大水平侧移均位于结构的顶部，在EI波及人工波Ⅰ的作用下，结构的顶层位移较小；在天然波Ⅰ的作用下，结构的顶层位移较大，结构出现破坏环节.本文以A塔楼和B塔楼顶层节点9 593和9 734作了对比分析，如图17～图20所示，可以看出，在EI波及以7度抗震合成的人工波Ⅰ的作用下，本建筑结构的顶层水平及竖向位移不大.而天然波Ⅰ为汶川地震波，本建筑结构在此强震作用下顶层的水平位移及竖向位移较大，尤其是X轴向产生的位移较大，A塔楼达到0.089 1m，B塔楼达到0.094 736m.

图17 A塔楼顶层节点9 593 X轴向位移Fig.17 Displacement of node 9593in top-level of A tower in Xaxial

图18 A塔楼顶层节点9 593 Y轴向位移Fig.18 Displacement of node 9593in top-level of A tower in Yaxial

图19 A塔楼顶层节点9 593 Z轴向位移Fig.19 Displacement of node 9593in top-level of A tower in Z axial

图20 B塔楼顶层节点9 734 X轴向位移Fig.20 Displacement of node 9734in top-level of B tower in Xaxial

图21 A塔楼X轴向最大层间位移角Fig.21 The maximum story drift angle of A Tower on Xaxial

图22 A塔楼Y轴向最大层间位移角Fig.22 The maximum story drift angle of A Tower on Yaxial

图23 B塔楼X轴向最大层间位移角Fig.23 The maximum story drift angle of B Tower on Xaxial

图24 B塔楼Y轴向最大层间位移角Fig.24 The maximum story drift angle of B Tower on Yaxial

从图21～图24可以看出，本建结构在EI地震波和人工地震波Ⅰ作用下的最大层间位移角的变化情况大致相同，最大层间位移角的大小也几乎相等.而在天然地震波Ⅰ作用下，本结构的最大层间位移角较大，尤其是X轴向的层间位移角大.根据抗震规范，在EI波和人工波Ⅰ的作用下，结构X轴向及Y轴向的最大层间位移角均小于1／800，结构处于安全工作状态.在天然波Ⅰ的作用下，本结构的A塔楼及B塔楼的最大层间位移角都大于1／800而小于1／400，说明本建筑结构正处于轻微损坏的工作状态.

图25～图27为本建筑结构在3种地震波作用下的部分总位移变化图，可以看出，地震作用下，A塔楼与B塔楼的位移变化方向不一定相同，大致有以下3种情况：①往同一方向倒；②相互远离及相互靠近；③绕各自的质心相互扭转.

图25 EI波t＝1.02s的总位移Fig.25 Total displacement of EI wave when t＝1.02s

图26 人工波Ⅰt＝1.22s的总位移Fig.26 Total displacement of artificial waveⅠwhen t＝1.22s

图27 天然波Ⅰt＝1.22s的总位移Fig.27 Total displacement of natural waveⅠwhen t＝1.22s

从图28～图29可以看出，本建筑结构的薄弱环节为1～3层的底层框架及顶层连体钢架，在汶川地震波作用下，底层框架发生失稳的变形，而顶层连体钢架由于受力过大，扭转变形特别明显.从本建筑结构在汶川地震波作用下的位移突变图与连体钢架剪力与弯矩图可以看出，本建筑结构底层框架很易发生破坏；顶层的连体钢架由于A塔楼与B塔楼之间的不同方向变形而受挤压，连体钢架结构发生的变形较大.

图28 天然波Ⅰt＝0.02s的总位移Fig.28 Total displacement of natural waveⅠwhen t＝0.02s

图29 天然波Ⅰt＝2.42s的总位移Fig.29 Total displacement of natural waveⅠwhen t＝2.42s

通过地震时程分析，可以得出以下结论：

（1）时程分析结构的位移、扭转变形明显较大，尤其是在天然波Ⅰ（汶川地震波）的作用下对结构的影响较大；

（2）底层框架及顶层连体钢架在时程分析时，这些部位发生位移、转角及受力的突变；在天然波Ⅰ（汶川地震波）作用下的时程分析计算出的最大层间位移角小于1／400而大于1／800，表明本建筑结构底层框架及顶层连体钢结构部位发生轻微损坏.

3 结 语

本文应用ANSYS对成都中航国际广场大厦结构进行了量化动力分析，找到了薄弱部位主要为底层的框架结构及顶层的连体钢架结构，需要采取相应的加固措施.该研究成果为我国钢-混凝土混合结构设计提供了重要量化依据，具有重要的意义和经济价值.另外，本文限于考虑地面以上结构，对于地基对上部结构的影响，尚待继续探讨.

［1］李围.ANSYS土木工程应用实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2007.

［2］袁勇，雷青芳.大底盘双塔复杂高层建筑结构设计［J］.陕西建筑与建材，2004，12（3）：10-12.

［3］闫磊，朱宏平.地震作用下某双塔楼高层建筑动力响应研究［J］.国外建材科技，2005，26（6）：55-58.

［4］朱建博.成都中汇广场大厦结构稳定性分析［D］.沈阳：沈阳大学，2009.

［5］曾支明，丛树民.框架-剪力墙结构高层地震问题的数值分析［J］.沈阳大学学报，2011，23（6）：118-121.

Dynamic Force Analysis about Structure of Chengdu International Plaza Mansion

CONG Shumin，ZENG Zhiming，XU Suchao

（Architectural and Civil Engineering College，Shenyang University，Shenyang 110044，China）

ANSYS was applied to give a dynamic force analysis of Cheng Du International Plaza Mansion.There were more than 40 000nodes and more than 50 000elements in the ANSYS model，and the connection problem between different materials was solved in modeling process.Through quantitative analysis，the weak parts of the structure were found out.It is very important to take reinforcement measures for these weak parts.The study has important significance and economic value.

high-rise steel-concrete mixed connection structure；dynamic analysis；weak link；reinforcement and reconstruction

TU 973

A

1008-9225（2012）03-0060-07

2011-12-07

国家自然科学基金资助项目（50909092）.

丛树民（1954-），男，辽宁凤城人，沈阳大学教授，硕士生导师.

刘乃义】