复杂高层建筑结构抗震分析与设计

马 安 震

(中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300308)

复杂高层建筑结构抗震分析与设计

马 安 震

(中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300308)

复杂高层建筑的大量涌现给结构设计特别是抗震设计提出了新的挑战。为了探究复杂高层结构的抗震性能，针对某32层型钢混凝土框架-混凝土核心筒结构，选取5条实测地震动加速度时程，开展了常遇地震和罕遇地震作用下的弹塑性时程分析研究。研究结合各类有限元分析软件的特点，介绍了一种基于ETABS、SAP2000、PERFORM-3D三个有限元平台的抗震分析流程。此外，通过对比结构在不同地震动作用下的响应，分析了地震动频谱特性对结构响应的影响规律。研究表明，该结构在具有相同峰值的不同地震动作用下的响应差异较大。

复杂高层；抗震；弹塑性时程分析；结构设计；PERFORM-3D

复杂高层建筑是20世纪80年代在我国逐渐出现的，它的出现有效缓解了城市用地紧张的问题，满足了公众日益多样化的审美观。近年来，由于结构体系不断创新，结构理论不断发展，新材料不断出现，施工技术逐渐提高，使得复杂高层建筑层出不穷。其中，型钢混凝土框架-核心筒结构体系是发展较快的高层建筑结构形式之一。复杂高层建筑工程的出现对结构设计理论的发展起到相当大的促进作用，但同时也对结构设计提出了新的挑战：结构分析的难度和规模越来越大，抗震设计中结构的破坏机理更加复杂[1-4]。

我国的抗震设计思想为“三水准设防目标，两阶段设计步骤”。两阶段设计步骤指的是小震作用下的弹性内力和变形分析，以及大震作用下的弹塑性变形分析[5]。其中，大震作用下的弹塑性时程分析方法目前发展还不够完善[6-7]。目前能够实现大震作用下弹塑性时程分析的软件有多种。但是不同软件的优势不同，有些软件的建模速度快，有些软件的本构设置更合理[8-10]。本文针对一栋复杂高层办公楼，借助ETABS、SAP2000、PERFORM-3D三款通用软件，对弹塑性时程分析进行探讨。

1 工程概况

该办公楼共32层，结构总高度129 m，平面基本尺寸为48 m×48 m，首层5.0 m，其它层高均为4.0 m。结构体系为H型钢混凝土框架-混凝土核心筒结构。楼板无大开洞，形成刚性横隔板，把核心筒与外框架联系在一起。核心筒采用普通钢筋混凝土剪力墙，外框架由型钢混凝土柱和钢梁构成，标准柱距为9.6 m，矩形型钢混凝土柱直径从基底逐渐减少并延伸至屋顶，外框架梁采用焊接H型钢梁与柱刚接，与核心筒墙体铰接，其典型楼层布置和立面见图1。主要构件采用的混凝土强度等级如表1所示，考虑到办公楼内会设置会议室、档案室和贮藏室等设施，荷载取值比现行《建筑结构荷载规范》中对办公楼的标准偏高，其中恒荷载包括楼板自重，具体取值如表2所示。

表1 结构构件材料及强度

图1 典型结构平面布置图及立面图表2 荷载取值

注：内隔墙荷载不考虑。结构其余构件自重由分析软件自动计算，混凝土密度取2 700 kg/m3，钢材密度取7 850 kg/m3。

2 分析模型的建立

相对于其它有限元分析软件，PERFORM-3D计算成本小，计算结果能较好反应结构的非线性特征，应用广泛，所以选择该软件进行弹塑性时程分析[11-13]。但由于其建模过程复杂，建立模型往往会耗费大量时间。好在PERFORM-3D提供了ETABS和SAP2000的导入接口，先采用建模方便的ETABS软件建立结构模型，然后导入SAP2000，解决ETABS只能向PERFORM-3D导入结点与杆系的几何属性，而不能导入节点荷载与质量、截面属性、构件属性及梁荷载的问题[14]。同时进行质量、荷载等信息检查，模态分析，最后将模型导入PERFORM-3D中，修改结构的材料、截面、构件信息，对结构进行弹塑性时程分析。如此大大提高了采用PERFORM-3D进行弹塑性时程分析的效率。基于三种软件的复杂结构抗震分析流程如图2所示。

图2 基于三种通用软件的抗震分析流程图

在建模过程中采用了以下分析假定：

(1) 楼屋盖可视为刚性横隔板；

(2) 全部墙及框架柱均为中心对齐；

(3) 不考虑地下结构，一层柱墙嵌固于±0；

(4) 异形柱简化为方柱计算。

2.1 材料

混凝土材料，选用Inelastic 1D Concrete Material类型。考虑箍筋约束效应对强度的提高，提高系数取1.4，考虑混凝土强度损失，不考虑混凝土的受拉强度。钢筋及型钢材料，均选用Inelastic、Steel Material、Non-Buckling类型，考虑包辛格效应，应力循环过程不考虑刚度的退化，极限应变取0.02。

2.2 单元

混凝土梁柱墙均采用纤维单元。整体结构计算模型由杆单元和壳单元组成，杆单元用于部分梁柱构件，壳单元用于建立筒体和楼板结构，楼板采用弹性楼板假定。筒体墙体采用平板壳精细有限元模型，平板壳单元中膜单元旋转自由。

2.3 阻尼

在结构动力分析中使用最多的是瑞利(Rayleigh)阻尼假定，即认为阻尼力正比于质点运动速度和应变速度，并可以取这两种速度引起的阻尼力的线性组合。本文时程分析中采用瑞利阻尼，小震分析取0.04，大震分析取为0.05。采用瑞利阻尼假定时，欲求得质量阻尼常数α和刚度阻尼常数β，必须先确定某两个频率对应的阻尼比。而这两个频率的不同取法，将影响阻尼比曲线的形状，使得结构不同振型对应的阻尼比发生变化。本文中取T1和0.25T1对应的阻尼比来确定阻尼常数α和β。

2.4 地震波

选用5条天然地震加速度时程记录作为地震动输入，详细信息见表3。将地震加速度峰值统一为70 gal后作出加速度反应谱如图3所示。

图3 输入地震动反应谱表3 地震动输入信息

3 动力特性分析

在进行弹塑性时程分析前，先进行结构模态分析，并与ETABS、SAP2000的分析结果进行对比，以确定结构计算模型质量、弹性刚度等的准确性。表4给出了PERFORM-3D、SAP2000和ETABS分析求得的结构前3阶自振周期及振型的描述，图4给出了结构前3阶振型图。由于结构整体比较规则，第一阶振型为Y向平动，第二阶为X向平动，第三阶为扭转振型。由表4数据可见，三个软件对结构周期的计算结果误差在10%以内，说明模型导入误差较小，导入结果可靠。

表4 结构动力特性

4 动力时程分析

4.1 多遇地震分析

(1) 结构顶点位移时程。上述地震输入下楼顶标高129 m处(坐标(0,48,129))的位移时程如图5所示。从位移时程可以看出，结构在相同加速度峰值的不同地震波作用下的反应有较大差异。结构在B-El C090地震波作用下的水平向反应最小(峰值仅为14.12 mm，8.21 s时刻)，在L604和L725地震波作用下的水平向反应较大，位移峰值分别为572.92 mm(50.82 s)和618.03 mm(44.06 s)。结构在不同地震动输入下位移反应的差异与图2中结构周期对应的反应谱值结果一致。

图4 结构前3阶振型图

图5 多遇地震作用下结构顶点位移时程

(2) 层间位移响应。选择核心筒体结构的左上角点，考察整体结构在时程分析中的最大位移和层间位移包络响应值。对比5种地震波的计算结果可知，L725波输入所产生的结构位移和层间位移角最大。图6表示实测地震输入下角点处的层间位移角包络图。按照当前的结构设计和地震动输入， 4条地震动输入的层间位移角超过了当前规范的限值要求。

4.2 9度罕遇地震分析

(1) 结构顶点位移时程。将5条地震动加速度峰值调整为9度罕遇地震峰值(6.2 m/s2)。5条地震波在地震输入下楼顶标高129 m处(坐标(9.6,48,129))的位移时程如图7所示。从位移时程可以看出，结构在相同加速度峰值的不同地震波作用下的反应有较大的差异。

图6 多遇地震下结构层间位移角包络

图7 罕遇地震作用下结构顶点位移时程

结构在B-El C090地震波作用下的水平向反应最小(峰值仅为24.12 mm，8.34 s时刻)，在L604和L725地震波作用下的水平向反应较大，位移峰值分别为1 034.31 mm(51.12 s)和1 503.03 mm(44.52 s)。对比弹性分析结果，结合图2地震动反应谱的数据，可以发现在结构周期附近(2.4 s左右)L604和L725的反应谱值较高，而B-El C090和Taft的反应谱值较低，结构顶点位移也满足同样的规律。地震动的频谱特性是结构分析的重要参考[15]，由本文的分析可以看到，在复杂高层结构的非线性分析中，地震动的频谱特性依然是影响结构响应的重要因素。

(2) 层间位移响应。选择核心筒体结构的左上角点，考察整体结构在时程分析中的最大位移和层间位移包络响应值。对比5种地震波的计算结果可知，L725波输入所产生的结构位移和层间位移角最大。图8表示实测地震输入下角点处的层间位移角包络图，按照当前的结构设计和地震动输入，4条地震动输入的层间位移角超过了当前规范的限值要求。

图8 罕遇地震下结构层间位移角包络

5 结 语

通过对复杂高层办公楼在地震作用下的弹塑性时程分析，可以得出以下结论：

(1) 基于ETABS+SAP2000+PERFORM-3D的分析流程充分利用了各软件的优势，不仅提高了分析效率，且各软件的模态分析结果可相互验证以确保计算的准确度。上述实例分析证明了该分析流程的可行性、合理性与可靠性。

(2) 通过对比结构顶点位移响应和地震动反应谱，发现地震动频谱特性在结构非线性分析中仍然具有重要参考价值。当地震动在结构周期附近所含频谱成分较多时，结构发生破坏的可能性变大。这一结论可以应用于抗震分析的地震动选取。

从计算中可以发现，不同地震动输入对结构响应的影响很大。同时，不同的建模习惯和分析方法导致弹塑性分析的结果差异也较大。为了合理评价高层及超高层建筑的动力弹塑性行为，在地震动的选取、关键构件的单元选择、阻尼类型和取值、动力积分方法的选择等方面还要做更为细致的研究。

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Seismic Analysis and Design of Complicated High-rise Building Structure

MA Anzhen

(ChinaRailwayLiuyuanGroupCo.,Ltd.，Tianjin300308,China)

Large number of complicated high-rise buildings appear recently, which pose new challenges to structural design especially for seismic design. To analyze the seismic performance of complicated high-rise building, a 32-story concrete frame and concrete core structure is analyzed using elastic-plastic time-history analysis method under frequent and rare earthquake ground motions. In the analysis, five ground motion records are chosen. A seismic analysis process based on three finite element software ETABS, SAP2000 and PERFORM-3D respectively is carried out, in which strengths of all the three softwares are fully used. The influence of spectral properties of seismic ground motion on structural response is analyzed by comparing structural responses under different ground motions. It reveals that the complicated high-rise building shows large difference in response under different seismic ground motions which have same peak value.Analysis results based on this process can either reflect the seismic performance of structure or greatly improve calculating efficiency.

complicated high-rise building; anti-seismic; elastic-plastic time-history analysis; structural design; PERFORM-3D

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.038

2016-12-22

2017-02-28

马安震(1991—)，男，宁夏彭阳人，硕士，助理工程师，主要从事工程结构设计工作。E-mail: 562426357@qq.com

TU313

A

1672—1144(2017)02—0199—06