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、束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的手段，为结构的设计和性能的评估提供了重要依据。通过对结构动力特性的测试，可以了解其自振特性，研究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）采用钢筋混凝土框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度设防时一般不得超过规范、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度设防时高度不得超过规范、规程的最大适用高度的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范、规程的有关规定；
（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，且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时程分析。
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-钢筋混凝土核心筒-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有限元模型的简化
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口，剪力墙墙肢上较小墙垛等，以方便建模和计算；同时考虑到结构自重的影响局部调整楼板材料的密度。
2.3有限元模型的建立
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，三维壳单元有4个节点，每个节点具有空间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。其分析的主要目的是用于确定结构的动力特性，了解结构的固有频率及振动形式，而且通过结构模态分析，可对结构的整体性能有一个宏观的把握，如何通过计算结果得知结构的扭转性能是否满足相关规范要求、了解结构的刚度分布情况等，是进行结构动力反应分析的基础。
3.4.2结构的模态计算结果及分析
1.结构的自振周期
由于本文的研究对象为一带大底盘的单塔楼结构，振型较常规结构多，且其模态的分布规律远比常规结构复杂。因此在进行结构模态分析时，不能够仅取结构前几阶振型进行计算。为提高该复杂超限高层结构的计算精度，所计算的模态数应远比常规结构要多。
《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定，B级高度的高层建筑结构和本规程规定的复杂的高层建筑结构，抗震计算时，宜考虑平扭藕连计算结构的扭转效应，振型数不应少于15个，且计算振型数时应使振型参与质量不小于总质量的90%。本文在进行模态分析时，取前50阶振型进行计算。通过有限元计算，得到结构前50阶振型的固有频率，周期及振型参与质量。结构前7阶自振频率，及与ETABS和PKPM的对比分析见下表2和图4所示。
从以上图、表可以看出，三种软件计算结果在前10阶模态中，均比较接近的。其中ETABS与ANSYS差别最大值不超过10%，说明利用ANSYS建立的模型合理可信。
高规第3.4.5规定，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，复杂高层建筑不应大于0.85。
从表3可以看出，分别由三种软件计算出来的结构的扭平比均小于0.85，说明结构的扭转效应不明显，抗扭刚度满足要求。从结果看到：三种软件的计算结果非常接近，并都满足规范的基本要求。
2.结构的振型图
从图5~7可以看出，结构的第一振型为Y方向的平动和第二振型为X方向的平动以及第一、二周期相差较大，可判断结构刚度的分布不均匀，且Y方向的刚度低于X方向的刚度。
4.结构的地震反应谱分析
4.1 地震波反应谱的对比分析
本次研究中将对整体结构施加地震反应谱，以研究结构在相当于设防烈度的地震荷载作用下的最大反应。利用ANSYS进行振型分解反应谱法计算，并将ANSYS、PKPM、ETABS的计算结果进行对比分析。
根据实际工程所处的地区地震烈度为7度（0.1g），设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.40s，阻尼比0.05。对有限元模型施加X向地震加速度谱，采用振型分解反应谱法中的完全开平方法（CQC）计算其在激励谱作用下的地震响应。
地震反应谱分析的CQC（The complete quadratic combination method）法的计算公式为：
通过对计算结果的分析，得到了整体结构X向地震作用下结构层间位移角、平均层间位移、平均楼层位移、楼层最大位移，并且比较了三种软件的计算结果，如下图10~13所示。
从上图可知结构的位移最大值发生在结构的顶部，其值为113mm，剪力墙结构底部的应力较大，在剪力墙的连梁处出现了应力集中，符合剪力墙连梁的破坏原则“强剪弱弯”。
从上图可以看出：三种软件的计算结果比较接近，其中由PKPM计算的结果值偏大，说明其计算结果偏于保守。由图12可知45层为结构的大屋面层，本层结构位移为结构顶点位移，PKPM、ETABS以及 ANSYS的计算结果分别为134mm、112mm、113mm。ABAQUS的计算结果比PKPM的计算结果小15.6%，说明由PKPM计算的结果偏于保守，结构刚度偏小。因此，在利用PKPM进行结构设计时，一定要注意的对结构刚度影响较大的几个因素，恰当的选取各个参数，尽量使设计产品做到安全、经济。
由图10可知楼层层间最大位移角符合框剪结构小于1/ 800的要求；结构的层间位移角在8和26层顶部出现了较大的突变，这是因为结构的8层顶为裙房顶部，26层设置了加强层，且层高发生了变化。
由图13和表4可知平面不规则所产生的扭转效应也控制在规范的要求之内，即楼层竖向构件的最大水平位移与层间位移，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1.5 倍；剪重比（楼层地震剪力系数）也满足规范要求。
4.2 地震动输入维数的影响
以结构数值模型为研究对象，分别沿结构的X方向、X+Y双向及X+Y+Z三向输入地震动，图14~图16分别是地震波输入维数对结构位移响应的影响。
图14 结构的X向楼层位移包络图
由图14可知，X向一维输入地震波时，结构X向各层的位移最大值与二、三维地震波输入时的X向位移最大值相同，而顶层Y向位移值很小。当二维输入时，X方向的地震加速度对Y方向的位移没有影响（如图15所示），可见对于完全对称的结构来说，一个方向的地震作用对垂直它的平面影响很小，几乎不存在平面内的耦合作用，而产生较大的竖向位移值是由于结构的自重引起的。由图16可知，改变维数输入地震波时，引起的竖向位移相差较大，且三维输入时的竖向位移值最大，因此，对该结构进行抗震分析时，最好考虑三维地震波输入。
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论文作者:刘月雨
论文发表刊物:《基层建设》2016年9期
论文发表时间:2016/7/27
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