高烈度区高层建筑时程分析研究

陈亮++张庆++张炳权++袁志敏++马端++姚激

摘要：本文以昆明某高层建筑为例，介绍了高层建筑结构有限元模型建立的过程以及模型验证的方法。依据场地类别、地震设防烈度、设计地震分组、结构自振周期等因素，选择地震波，在对地震波的合理性进行了验证基础上，对高层建筑结构进行了多遇地震与罕遇地震下的地震响应分析。研究结果为结构的设计提供了相关理论依据。

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.

关键词： ETABS；时程分析；地震波输入；高层建筑；动力特性；地震反应

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

中图分类号：TU973 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）22-0093-03

0 引言

随着中国城市化的加速发展，越来越多的人进入城市生活，城市中生活的人们对住房的需求也越来越迫切，高层建筑在城市中的应用也越来越广泛。但是由于我国地域面积辽阔，地质类型多样，尤其面临地震威胁的地区也相对较多，特别是像云南省这样处于高烈度地区的地方还有很多。如何在高地震烈度区建造高层建筑是结构工程师需重点考虑的问题。本文以昆明8度区某高层建筑建设为例，介绍了高层建筑结构有限元模型建立的过程以及模型验证的方法。依据场地类别、地震设防烈度、设计地震分组、结构自振周期等因素，选择地震波，在对地震波的合理性进行了验证基础上，对高层建筑结构进行了多遇地震与罕遇地震下的地震响应分析。研究结果为8度区建造类似高层建筑提供相关研究和设计施工以参考。

1 工程概况

某建筑长68.16m，宽24.3m，总占地面积1656.288m2。地下1层，地上部分21层，其中地下部分层高4m，第1层至第21层为住宅，层高均为3.0m，建筑地面总高度为63m，采用现浇混凝土框架—剪力墙结构形式，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.4g，设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.4s。上部建筑结构混凝土强度等级为C30～C50，其标准层布置如图1。

2 有限元模型的建立

依据工程设计相关数据，首先在PKPM中根据相关数据建立模型，利用PKPM强大的建模与结构分析功能进行初步的计算，然后利用相关的YJK软件将PKPM的模型导入ETABS软件进行相关的结构动力部分计算。模型中梁、柱采用杆单元，剪力墙的墙肢和连梁采用墙和壳单元，楼板采用膜单元。考虑地下室和基础对上部结构的作用，模型的X轴方向沿结构平面长边方向，Y轴方向沿结构平面短边方向，Z轴方向沿模型高度方向，向上为正。

考虑到PKPM软件建立的模型导入ETABS软件时存在产生误差的可能，因此根据相关规范规定，需要对PKPM软件与EATBS软件中的同一栋建筑结构模型的质量、周期值进行对比，确保两种软件中的同一栋建筑结构模型误差在规定的范围。采用PKPM软件中的SATWE模块计算模型的质量、周期值，SATWE与EATBS分别计算得到的质量与周期值及其误差检验结果如表1、表2所示。从表1可以看出，两者差值为0.049%；从表2可以看出，二阶振型两者差值最大，为4.881%。从表1与表2可以看出，导入ETABS软件的模型与PKPM软件建立的模型的误差满足规范规定要求。从表3可以看出，ETABS计算的模型与SATWE模型地震剪力除了在结构顶层之外的差值都很小，所以由PKPM软件导入ETABS軟件的模型满足计算要求。

3 输入地震波选取的原则

《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的规定：“对于特别不规则的高层建筑，应该采用时程分析进行多遇地震下的补充计算。”采用时程分析法时，应该选用不少于2条的实际记录和1条人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。时程分析法计算所得的平均底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。

研究与分析表明：地震波的选取对于建筑结构的地震反应影响巨大，由于地震动具有随机性和不确定性，所以如何选择合理科学的地震波对于分析结构的时程分析以及建筑的地震响应十分重要。研究表明选择地震波时应该考虑三个因素，即地震动强度、地震动频谱特征与振动的持续时间。

4 地震反应分析

4.1 地震波选取

对建筑结构进行时程分析，根据相关规定，需要选用两条实际强震记录和一条人工模拟地震波。考虑场地类别、地震设防烈度、设计地震分组、结构自振周期等因素后，参考工程场地的地质环境评估报告和相关参数以及规范要求等资料。选择一条人工模拟的地震波（1#）、两条自然地震波（2#与3#）波形如图3所示。时程曲線拟合反应谱与规范反应谱对比如图4所示。3条地震波时程平均值与规范反应谱在前三阶周期点上的对比值如表4所示。从表4可以看出，对于模型的前三个周期，时程平均影响系数与规范反应谱影响系数的误差发生在第一周期，误差7.02%，总体误差较小。这表明选择分析用的三条地震波合理。

4.2 计算结果与分析

分别沿建筑结构X向和Y向输入调整后的地震波，采用时程分析法，分析结构在多遇地震与罕遇地震的地震响应。其中多遇地震分析时，根据设防烈度，将3条地震波的加速度峰值都分别调整到70cm/s2；罕遇地震分析时，根据设防烈度，将3条地震波的加速度峰值都分别调整到400cm/s2。计算得到结构层顶在多遇和罕遇地震作用下的位移时程曲线如图5～图8所示。

从上图可以看出，在多遇地震作用下，顶层X向节点位移最大值约为64mm，顶层Y向节点位移最大值约为13mm；在罕遇地震作用下，顶层X向节点位移最大值约为380mm，顶层Y向节点位移最大值约为65mm。模型X方向的侧移大于Y方向的侧移，这表明模型X方向的侧移刚度大于Y方向的侧移刚度。此外，从图还可以看出，每条波引起的结构侧移存在明显的差异。这是因为每条波的卓越周期不同所导致。从图还可以看出，3#自然波引起的结构侧移最大，1#自然波引起的结构侧移最小。这表明：3#人工波的卓越周期与结构的自振周期差异最小。结构模型对不同的波差异较大，因此选择合理的地震波是结构时程分析合理性的关键。

5 结论

目前高层建筑的使用与应用范围越来越广泛，本文以昆明地区某实际在建工程为实例，利用PKPM建模与ETABS有限元软件进行建模与结构的地震响应分析，得到如下结论：①结构在不同的地震波作用下的反应存在显著的差异。选择地震波的时候，需要考虑地震动三要素。时程平均影响系数与规范反应谱影响系数差异较小时，选择的地震波合理。②当地震波的卓越周期与结构的自振周期差异较小时，结构地震波引起结构的侧移较大。

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