某框架—核心筒超高層結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與結(jié)構(gòu)分析

阿布都熱依木江·庫爾班 晉 強(qiáng) 朱 琳 孟遠(yuǎn)遠(yuǎn)

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

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某框架—核心筒超高層結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與結(jié)構(gòu)分析

阿布都熱依木江·庫爾班 晉 強(qiáng) 朱 琳 孟遠(yuǎn)遠(yuǎn)

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

利用SATWE與ETABS有限元軟件，計(jì)算了某超高層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性與動(dòng)力反應(yīng)，并對不同有限元軟件計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行了對比，指出兩種有限元軟件計(jì)算結(jié)果比較吻合，并且在彈性階段，對于地震作用下用國內(nèi)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件SATWE進(jìn)行計(jì)算更加安全。

超高層建筑，有限元軟件，動(dòng)力特性，動(dòng)力反應(yīng)

1 工程概況

本工程結(jié)構(gòu)高度為204 m，其主樓地下2層，地上47層。本工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，安全等級為一級，抗震設(shè)防烈度為6度，抗震設(shè)防類別為乙類，場地特征周期為0.45 s，場地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)地震分組為一組。框架和剪力墻抗震等級為一級。

2 結(jié)構(gòu)體系與布置

2.1 結(jié)構(gòu)體系介紹

本工程裙房平面尺寸為96.45 m×42.0 m,塔樓平面尺寸為46.05 m×42.0 m，結(jié)構(gòu)高度為204 m，其一層結(jié)構(gòu)平面見圖1。墻和柱混凝土等級為C60～C30，梁和樓板為C40～C30。塔樓采用SRC(型鋼混凝土)框架和SRC筒體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板。側(cè)向力由核心筒來承受，外圍框架承擔(dān)次要抗側(cè)力，以形成雙重抗側(cè)力體系，保證結(jié)構(gòu)在大震下的安全。由于結(jié)構(gòu)高度204 m，筒體主要材料為鋼筋混凝土，但在筒體的四個(gè)角部和中間位置埋設(shè)了型鋼柱，以提高筒體的延性，筒體厚度從底層800 mm逐層往上遞減為300 mm。樓板采用鋼筋混凝土樓板，厚度為120 mm，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2 m。

2.2 本結(jié)構(gòu)超限分析

根據(jù)《高規(guī)》[4]第3.3.1條規(guī)定，該結(jié)構(gòu)屬于B級高度，平面尺寸為46.05 m×42.0 m，高寬比為小于7和長寬比小于6都滿足規(guī)范要求，因此本結(jié)構(gòu)屬于高度上超限。

3 結(jié)構(gòu)彈性計(jì)算分析

多遇地震彈性計(jì)算采用了SATWE軟件和ETABS軟件并給出了兩種不同軟件的計(jì)算結(jié)果。

3.1 動(dòng)力特性對比

該結(jié)構(gòu)第一次計(jì)算模態(tài)分析時(shí)振型數(shù)取為15，計(jì)算出來的振型參與系數(shù)之和為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的82%，不滿足振型分解反應(yīng)譜的要求，通過不斷試算最后振型數(shù)取為24。計(jì)算出來的振型參與系數(shù)之和為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的94%，滿足規(guī)范的要求。

1)周期對比見表1。

表1 SATWE與ETABS周期對比

2)結(jié)構(gòu)振型參與系數(shù)對比見表2。

表2 ETABS與SATWE振型參與質(zhì)量系數(shù)對比 %

由表1發(fā)現(xiàn)，兩種不同有限元軟件計(jì)算出來的結(jié)構(gòu)周期基本上吻合，分別為第一周期(基本周期)相差比為0.18%，第二周期為7.80%，第三周期都在3.01%以內(nèi)，其他高階振型周期比都小于10%。

由表2周期對比發(fā)現(xiàn)，X方向振型參與系數(shù)之和對比相差為0.68%，Y方向計(jì)算振型參與系數(shù)之和對比相差為0.13%，兩個(gè)方向振型參與系數(shù)之和基本吻合。

3.2 結(jié)構(gòu)各層內(nèi)力對比

前面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析并計(jì)算出了結(jié)構(gòu)前24個(gè)振型與對應(yīng)的周期。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜法來計(jì)算結(jié)構(gòu)X，Y方向的地震作用，并將SATWE與ETABS計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。

1)樓層底部傾覆彎矩對比見圖2，圖3。

2)各樓層剪力對比見圖4，圖5。

表3 ETABS與SATWE底部傾覆彎矩與剪力對比

由表3對比發(fā)現(xiàn)，SATWE與ETABS計(jì)算出來的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量基本相同，相差在0.58%。樓層剪力基本上吻合，X方向相差在1.13%，Y方向相差在4.41%。而底部傾覆彎矩相差稍微偏大，X方向?yàn)?1.6%，Y方向?yàn)?.01%。

由圖2～圖5對比發(fā)現(xiàn)，樓層剪力基本吻合。而樓層傾覆彎矩，從第41層～47層基本吻合，從結(jié)構(gòu)第40層開始SATWE有限元軟件計(jì)算結(jié)果逐漸大于ETABS有限元計(jì)算的結(jié)果。由圖2～圖5和表3發(fā)現(xiàn)，SATWE計(jì)算出來的結(jié)果總體上比ETABS計(jì)算結(jié)果大。

3.3 結(jié)構(gòu)變形對比

層間位移可以反映地震作用下結(jié)構(gòu)整體變形，側(cè)向位移控制實(shí)際上對構(gòu)件截面大小、結(jié)構(gòu)剛度大小的一個(gè)宏觀指標(biāo)。本文分別對結(jié)構(gòu)進(jìn)行X，Y方向的單向地震作用下的位移計(jì)算，雙向地震作用下的位移分析，并將SATWE與ETABS進(jìn)行對比。

結(jié)構(gòu)各樓層最大層間位移角對比見圖6～圖9及表4。

表4 樓層層間位移角對比

荷載工況類型樓層最大層間角最大層間角出現(xiàn)樓層號ETABSSATWESATWEETABSX方向地震作用1/11061/13143323Y方向地震作用1/11651/12083435X雙向地震作用1/10431/10323323Y雙向地震作用1/10761/10053422

1)從圖6～圖9可以看出，結(jié)構(gòu)在X，Y方向地震作用下整體變形圖為“彎剪型”，并與樓層最大層間位移角基本吻合。

2)由表4可以看出，在各工況地震作用下計(jì)算出來的樓層最大層間位移角都小于規(guī)范規(guī)定1/630限值,滿足規(guī)范要求。

3)從圖6～圖9可以看出，結(jié)構(gòu)的樓層最大層間位移采用SATWE軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，出現(xiàn)在第33層～34層附近，而ETABS軟件計(jì)算時(shí)出現(xiàn)在第22層～23層附近。因而，該工程需要在第33層和第23層附近采取加強(qiáng)措施。

4 結(jié)語

本文以某框架—核心筒辦公樓為工程背景，在對超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用下的動(dòng)力計(jì)算并采用SATWE和ETABS有限元軟件對結(jié)構(gòu)在地震作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、各層剪力、結(jié)構(gòu)底部彎矩、樓層位移、樓層層間位移角進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在兩種有限元軟件計(jì)算結(jié)果都能滿足規(guī)范規(guī)定的要求，而且國內(nèi)主要設(shè)計(jì)軟件SATWE計(jì)算出來的結(jié)果比ETABS計(jì)算的結(jié)果要大。

[1] 陳孝堂.超高層建筑結(jié)構(gòu)體系方案優(yōu)選[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2010,40(3):182-188.

[2] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[4] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[5] 曹加良,施衛(wèi)星,何文福.新抗震規(guī)范反應(yīng)譜的適用性研究[J].振動(dòng)與沖擊,2011,30(11):79-84.

[6] 曹加良,施衛(wèi)星,汪 洋.我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜及譜阻尼折減系數(shù)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2011,32(9):34-43.

Dynamic characteristics and structural analysis of a frame-shear wall structure building

Abudureyimujiang·kuerban Jin Qiang Zhu Lin Meng Yuanyuan

(CollegeofHydrology&CivilEngineering,XinjiangUniversityofAgriculture,Urumqi830052,China)

Applying SATWE and ETABS finite element software, the paper calculates the dynamic properties and dynamic response of the super-high-rise building structure, compares results calculated with different finite element software, and finally points out that: the calculation results with two kinds of finite element software is in accordance, which is safer for major structural design software SATWE calculation under earthquake effect at the elastic phase.

super-high-rise building, finite element software, dynamic properties, dynamic response

2016-11-23

阿布都熱依木江·庫爾班(1986- )，男，碩士，助教

1009-6825(2017)04-0063-02

TU973

A