重庆某超高层建筑结构弹性抗震性能分析

孔德坤

(CM CU·中联建筑，重庆400039)

重庆某超高层建筑结构弹性抗震性能分析

孔德坤

(CM CU·中联建筑，重庆400039)

1 前言

重庆某超高层结构总建筑面积170354.6m2，其中地上总建筑面积112089m2，地下建筑面积54218.94m2。建筑地下部分8层，高度35.95m，地上塔楼层数58层，共计282.3m。平面布置如图1、图2，剖面图见图3。

图1 裙房典型平面图

图2 一层塔楼平面图

图3 塔楼剖面图

1.1 分析软件与计算模型

依据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第5.1.12，5.1.13条的要求，该工程需要采用两种不同力学模型的结构分析软件进行结构整体计算，并应采用弹性时程分析进行补充计算。因此，该工程采用了如下软件分别进行结构整体弹性计算和时程分析：

（1）SATW E（2011.3月版）。

（2）ETABS（9.7.4）。

（3）M IDAS-Building（Ver.112.R3）。

计算模型中定义了竖向荷载和水平荷载工况，其中竖向荷载工况包括结构自重，附加恒荷载以及活荷载，水平荷载工况包括地震作用和风荷载。对于小震的水平地震作用考虑双向地震以及偶然偏心的影响；考虑不同方向的地震作用；计算了竖向地震作用。地震作用的计算采取振型分解反应谱法，并采用了时程分析法进行补充计算。计算中考虑了结构的重力二阶效应。

1.2 计算参数

抗震设防烈度：6度。抗震设防类别：乙类。设计地震分组：第一组。场地类别：Ⅰ1类。风压：0.45kN/m2(结构强度验算)；0.40kN/m2(层间变形验算)。

根据规范及安评报告，所取的地震加速度为小震：20cm/ s2。

2 结构抗震性能分析

2.1 周期和振型信息

采用SATW E、ETABS和M IDAS计算，取前5阶振型进行对比分析，具体信息如表1所示。

表1 结构前9个振型周期

由上表可见三种软件输出的周期和振型较为吻合，可初步判定模型的分析结果准确、可信；三种软件计算的振型质量参与系数均满足规规定大于90%的要求[4]、[5]；第一扭转周期和第一平动周期的比值均小于规范0.85的限值[4]。

2.2 风荷载和地震作用下结构楼层剪力与倾覆力矩比较

图4、图5对小震、中震及风荷载作用下的楼层剪力及倾覆力矩进行比较。各种工况下的底层剪力和倾覆力矩值见表2和表3。

图4 风荷载和小震楼层剪力比较

图5 风荷载和小震楼层倾覆力矩比较

从以上图表得出，在弹性设计阶段，风荷载引起底层剪力、倾覆力矩大于小震作用工况，风荷载起控制作用。

2.3 结构弹性设计控制参数验算

2.3.1 层间位移角

本节研究多遇地震、设防地震和50年风荷作用下层间位移角的分布情况（图6～图10），并将最大楼层层间位移角与抗震性能目标进行对比（表3）。

由以上图表可见，小震和50年基准期风荷载作用下，结构最大层间位移角小于1/500[4]，底层最大层间位移角小于1/2000，在小震、50年基准期风荷载作用下，结构层间位移角满足既定抗震性能目标。

2.3.2 扭转位移比[4]

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.4.5条规定，在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移，B级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。当楼层的最大层间位移角不大于规范规定的限值的40%，该层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该层平均值的比值可适当放松，但不应大于1.60。

表2 底层剪力及倾覆力矩表（kN，kN·m）

表3 楼层最大层间位移角

图6 SATWE层间位移角图（小震和50年风）

图7 MIDAS层间位移角图（小震和50年风）

图8 ETABS层间位移角图（小震和50年风）

表4 楼层最大位移比

从表4、图9、图10可以看出，由于塔楼结构平面布置比较规则，楼层位移比和层间位移比均小于1.2；裙房部分由于结构体型相对较为复杂，位移比相对较大，设计时应考虑双向地震作用扭转效应。

图9 楼层位移比图

图10 层间位移比图

2.3.3 楼层侧向刚度比（表5）倍，满足嵌固端设计要求。

表5 楼层侧向刚度本层与相邻上层的比值（不规则层）

（2）结构抗侧刚度分别在第6、15、16、30、31、41、43层出现一定程度的突变。其中第6层为裙房以上第一层，第15、30、41层抗侧刚度较其相邻上层偏大，其原因是该部分楼层相邻上层均为层高较大层，抗侧刚度相对较弱。ETABS计算结果突变最为明显，而M IDAS和SATW E计算结果变化不大，因此应适当加大层高较大层抗侧力构件刚度予以改善。

（3）第16、31、43层由于层高大于相邻上层，抗侧刚度相对其上一层偏小，尤其第16层三种软件结果均小于规范要求限值，属软弱层，设计中通过地震力放大系数对结构抗侧刚度进行调整[4]（图11）。

图11 楼层与相邻上层侧向刚度的90%、110%或150%的比值图

表6 楼层抗侧力结构的层间受剪承载力与相邻上一层的比值（不规则层）

图12 楼层与相邻上层抗剪承载力比图

2.3.5 楼层剪重比

依据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第4.3.12条要求，多遇水平地震作用下，对于6度区基本周期大于5s的结构，结构各楼层的最小地震剪力系数为0.6%[1，2，4]。

表7 楼层最小剪重比

图13 楼层剪重比图

从表7、图13中可以看出，SATWE、M IDAS、ETABS计算的楼层剪重比均大于或者等于规范规定限值。

2.3.6 结构沿楼层质量分布

依据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.5.6 条要求，楼层质量沿高度宜均匀分布，楼层质量不宜大于相邻下部楼层质量的1.5倍。

表8 不同模型结构总质量表

图14 质量沿楼层分布及质量比图

从表8、图14可见，三种软件模型的总质量和楼层质量分布十分接近，塔楼楼层质量比除顶层设备层外均满足规范要求，建议适当减少或优化顶层设备质量或者增加其下一层的楼层质量。

2.3.7 结构整体稳定性（刚重比）

图15 悬臂杆模型

图16 楼层重力荷载设计值累计

表9 修正后结构刚重比表

从图15、图16、表9可见，在对刚重比限值进行修正后[3-4]，三种软件计算结果均表明该工程结构整体稳定性满足要求。

2.4 结构弹性时程验算

依据中国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）的有关规定，该工程选取5条天然波和2条人工波[4]（表10）。

2.4.1 底部剪力

弹性时程分析所得的底部剪力如表11所示，上述7组时程曲线主方向作用下的底部剪力大于振型分解反应谱法计算结果的65%，且平均值为反应谱计算结果的80%以上，满足规范的要求。

2.4.2 楼层剪力

图17 时程分析与反应谱分析楼层剪力比较(MIDAS)

图18 时程分析与反应谱分析楼层剪力比较(ETABS)

表10 地震波选用表

表11 ETABS基底剪力比较表

由图17、图18可以看出，反应谱计算的楼层剪力小于7组时程分析的楼层剪力平均值。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）4.3.5条，建议地震作用效应取时程分析计算结果的平均值的进行设计[4]。

2.4.3 层间位移角

图19 时程分析与反应谱分析层间位移角比较（MIDAS）

图20时程分析与反应谱分析层间位移角比较（ETABS）

图19 、图20表明，7组时程分析的最大层间位移角平均值总体略大于反应谱计算结果，且均小于1/ 500的抗震性能目标[4]。

3 结论

该工程为超限高层建筑工程，通过多个程序的详细计算比较，该工程具有良好的弹性抗震性能，有如下几个结论：

（1）建议适当减少或优化顶层设备质量或者增加其下一层的楼层质量，使塔楼各楼层质量比均满足规范的要求。

（2）在弹性设计阶段，风荷载引起底层剪力、倾覆力矩大于小震作用工况，风荷载起控制作用。

（3）结构的层间位移角、扭转位移比、侧向刚度比、层间受剪承载力比等指标均满足规范要求。

（4）反应谱计算的楼层剪力小于7组时程分析的楼层剪力平均值建议地震作用效应取时程分析计算结构的平均值进行设计。

（5）该工程核心筒在16层、31层、43层处收进，结构整体刚度突变，因此在后期设计中应加强这几层结构刚度，并适当提高收进部位剪力墙墙体配筋率和边缘构件配筋率。

[1]王亚勇.关于建筑抗震设计最小地震剪力系数的讨论[J].建筑结构学报.2013(2).

[2]任西京，吴喜珍.抗震设计中底部剪力系数与基本自振周期[J].建筑结构.2001(3).

[3]徐培福,肖从真.高层建筑混凝土结构的稳定设计[J].建筑结构.2001(8).

[4]中华人民共和国住房与城乡建设部.JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[5]中国建筑科学研究院.GB50011-2010建筑抗震设计规范[D].北京：中国建筑工业出版社，2010.

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

重庆某超高层建筑共66层，建筑高度282.3m。针对此类复杂结构的抗震分析，应采用两种及两种以上的力学模型。该文利用PKPM、M IDAS、ETABS三种软件对该超高层结构进行弹性分析，得出该结构弹性抗震性能符合国家现行规范的要求。

楼层剪力；倾覆力矩；层间位移角；扭转位移；楼层侧向刚度；楼层质量分布

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，工程师，主要从事结构设计工作。