复杂超限高层结构的地震反应研究

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1、复杂超限高层结构的地震反应研究中核第四研究设计工程有限公司河北石家庄050021摘要：当前高层建筑设计中的超限问题越来越多。依据新修订的规范,通过应用大型通用有限元软件ANSYS对某超限高层建筑进行了结构设计和分析,得到了结构在多遇地震作用下的内力和位移等结果，并且与两套不同的软件SATWE和ETABS的计算结果进行对比，着重讨论了结构的不规则性及由地震动输入维数产生的抗震问题，并针对相关抗震性能指标做出了对比分析。为今后的超限高层建筑结构设计提供参考。关键词：超限高层；抗震分析；结构计算；地震动0引言随着现代社会的进步和经济水平的发展，人们建造了越来越多的超高层建筑。从

2、建筑的高度发展过程中可以看出，高度的增加伴随着建筑材料，承重结构体系以及设计计算理论的发展，建筑物高度的不同发展时期，也正是建筑技术向新的水平发展的不同阶段，国内在近几十年的发展过程中，逐渐形成了以中心筒为主要抗侧力构件的筒体、筒中筒、框筒、朿筒等超高层结构体系。复杂体型主要分为带转换层结构、带加强层结构、错层结构、连体结构、多塔楼结构和组合而成的多种复杂结构，各种结构所占比例见图1。图1复杂体型各部分组成示意图由于超高层建筑结构中水平荷载是设计的主要控制因素，因此对其进行动力特性和地震反应分析具有重要意义。结构动力特性和地震反应的分析对于深入了解结构的抗震性能是非常有效

3、的手段，为结构的设计和性能的评佔提供了重要依据。通过对结构动力特性的测试，可以了解其自振特性，研宄结构在一定动力荷载作用下的反映，为结构抗震分析提供准确的动力参数。1超限高层建筑的抗震设计对超限高层建筑工程的抗震设防必须符合以下基本要求：(1)采用钢筋混凝土椐架结构和抗震墙结构，其高度不得超过规范的最大适用高度。采用钢筋混凝土框架-抗震墙结构和筒体结构，9度设防吋一般不得超过规范、规程的最大适用高度，8度设防时高度不得超过规范、规程的最大适用高度的20%,6度和7度设防吋高度不得超过规范、规程的最人适用高度的30%；(2)在房屋高度、高宽比和体型规则性至少应有一方面满足规

4、范、规程的冇关规定；(3)应采用比规范、规程规定更严的抗震措施；(4)计算分析应采用两个及两个以上符合结构实际情况的力学模型，II计算程序应经国务院建设行政主管部门鉴定认可；(5)对房屋高度超过规范最大适用高度较多、体型特别复杂或结构类型特殊的结构，应进行小比例的整体结构模型、大比例的局部结构模型的抗震性能试验研究和实际结构的动力特性测试；(6)特殊超限高层及有明显薄弱层的超限高层建筑工程，应进行结构的弹塑性吋程分析。2.结构的有限元建模与动力特性分析2.1工程概况本工程位于河北省石家庄市，主楼总高度为188.2m,地上为45层，地下三层；其附属裙楼高度为42.4m,地上

5、为8层；主楼与裙楼相连不设缝。该建筑物的工程设防烈度为7度、设计基本地震加速度为0.10g,场地类别II类，设计地震分组为第二组，场地特征周期为0.40s;主楼部分为混合结构，采用型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心简-伸臂桁架-环带桁架的结构形式，其中伸臂桁架、环带桁架设于第26层、该层为设备层及避难层；裙楼部分采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，该建筑物属于全国B类建筑工程抗震审查的重点项目。在Ansys建模并做线弹性分析的过程中，定义材料属性时，钢材与混凝土均被视为各向同性线弹性材料，材料属性见表1。2.2奋限元模型的简化为保持数值计算模型与实际结构的一致性，并突出所研究

6、的问题，对结构进行了如下的简化：由于所研究的问题只是整体结构在弹性或塑性范围内的响应，因此对于钢筋的处理采用整体弥散的方式；忽略对结构整体性能影响很小的次要构件，如结构的次梁等，但是对于次要构件的自重以及作用于次要构件上的荷载则等效到与次要构件相连的主体结构上；忽略对结构整体性能影响很小的楼板上的小的洞U，剪力墙墙肢上较小墙垛等，以方便建模和计算；冋吋考虑到结构自重的影响局部调整楼板材料的密度。2.3冇限元模型的建立采用ANSYS有限元分析软件建立了结构的整体有限元模型，结构中的梁、柱采用三维梁单元BEAM188模拟，剪力墙及楼板采用三维壳单元shell43模拟，三维壳单

7、元冇4个节点，每个节点具冇空间6个自由度，能够很好地与空间梁单元协调，计算精度较高。整个结构离散为63827个单元和33111个节点。结构的底部约束采用固定支座模拟。结构的整体有限元模型见下图2。图2结构的整体有限元模型型钢混凝土柱、梁的截面采用混合材料模拟，不考虑型钢与混凝土之间的滑移，截面的形式如下图3所示。图3型钢混凝土梁、柱的截面形式3.4结构的动力特性分析3.4.1结构模态分析介绍结构模态的分析和计算是进行结构动力特性的基础。苏分析的主要0的是用于确定结构的动力特性，了解结构的固冇频率及振动形式，而且通过结构模态分析