高烈度區高層建筑時程分析研究

陳亮++張慶++張炳權++袁志敏++馬端++姚激

摘要：本文以昆明某高層建筑為例，介紹了高層建筑結構有限元模型建立的過程以及模型驗證的方法。依據場地類別、地震設防烈度、設計地震分組、結構自振周期等因素，選擇地震波，在對地震波的合理性進行了驗證基礎上，對高層建筑結構進行了多遇地震與罕遇地震下的地震響應分析。研究結果為結構的設計提供了相關理論依據。

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.

關鍵詞： ETABS；時程分析；地震波輸入；高層建筑；動力特性；地震反應

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

中圖分類號：TU973 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0093-03

0 引言

隨著中國城市化的加速發展，越來越多的人進入城市生活，城市中生活的人們對住房的需求也越來越迫切，高層建筑在城市中的應用也越來越廣泛。但是由于我國地域面積遼闊，地質類型多樣，尤其面臨地震威脅的地區也相對較多，特別是像云南省這樣處于高烈度地區的地方還有很多。如何在高地震烈度區建造高層建筑是結構工程師需重點考慮的問題。本文以昆明8度區某高層建筑建設為例，介紹了高層建筑結構有限元模型建立的過程以及模型驗證的方法。依據場地類別、地震設防烈度、設計地震分組、結構自振周期等因素，選擇地震波，在對地震波的合理性進行了驗證基礎上，對高層建筑結構進行了多遇地震與罕遇地震下的地震響應分析。研究結果為8度區建造類似高層建筑提供相關研究和設計施工以參考。

1 工程概況

某建筑長68.16m，寬24.3m，總占地面積1656.288m2。地下1層，地上部分21層，其中地下部分層高4m，第1層至第21層為住宅，層高均為3.0m，建筑地面總高度為63m，采用現澆混凝土框架—剪力墻結構形式，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.4g，設計地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.4s。上部建筑結構混凝土強度等級為C30～C50，其標準層布置如圖1。

2 有限元模型的建立

依據工程設計相關數據，首先在PKPM中根據相關數據建立模型，利用PKPM強大的建模與結構分析功能進行初步的計算，然后利用相關的YJK軟件將PKPM的模型導入ETABS軟件進行相關的結構動力部分計算。模型中梁、柱采用桿單元，剪力墻的墻肢和連梁采用墻和殼單元，樓板采用膜單元?？紤]地下室和基礎對上部結構的作用，模型的X軸方向沿結構平面長邊方向，Y軸方向沿結構平面短邊方向，Z軸方向沿模型高度方向，向上為正。

考慮到PKPM軟件建立的模型導入ETABS軟件時存在產生誤差的可能，因此根據相關規范規定，需要對PKPM軟件與EATBS軟件中的同一棟建筑結構模型的質量、周期值進行對比，確保兩種軟件中的同一棟建筑結構模型誤差在規定的范圍。采用PKPM軟件中的SATWE模塊計算模型的質量、周期值，SATWE與EATBS分別計算得到的質量與周期值及其誤差檢驗結果如表1、表2所示。從表1可以看出，兩者差值為0.049%；從表2可以看出，二階振型兩者差值最大，為4.881%。從表1與表2可以看出，導入ETABS軟件的模型與PKPM軟件建立的模型的誤差滿足規范規定要求。從表3可以看出，ETABS計算的模型與SATWE模型地震剪力除了在結構頂層之外的差值都很小，所以由PKPM軟件導入ETABS軟件的模型滿足計算要求。

3 輸入地震波選取的原則

《建筑抗震設計規范》GB50011-2010的規定：“對于特別不規則的高層建筑，應該采用時程分析進行多遇地震下的補充計算?！辈捎脮r程分析法時，應該選用不少于2條的實際記錄和1條人工模擬的加速度時程曲線，其平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。時程分析法計算所得的平均底部剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%。

研究與分析表明：地震波的選取對于建筑結構的地震反應影響巨大，由于地震動具有隨機性和不確定性，所以如何選擇合理科學的地震波對于分析結構的時程分析以及建筑的地震響應十分重要。研究表明選擇地震波時應該考慮三個因素，即地震動強度、地震動頻譜特征與振動的持續時間。

4 地震反應分析

4.1 地震波選取

對建筑結構進行時程分析，根據相關規定，需要選用兩條實際強震記錄和一條人工模擬地震波?？紤]場地類別、地震設防烈度、設計地震分組、結構自振周期等因素后，參考工程場地的地質環境評估報告和相關參數以及規范要求等資料。選擇一條人工模擬的地震波（1#）、兩條自然地震波（2#與3#）波形如圖3所示。時程曲線擬合反應譜與規范反應譜對比如圖4所示。3條地震波時程平均值與規范反應譜在前三階周期點上的對比值如表4所示。從表4可以看出，對于模型的前三個周期，時程平均影響系數與規范反應譜影響系數的誤差發生在第一周期，誤差7.02%，總體誤差較小。這表明選擇分析用的三條地震波合理。

4.2 計算結果與分析

分別沿建筑結構X向和Y向輸入調整后的地震波，采用時程分析法，分析結構在多遇地震與罕遇地震的地震響應。其中多遇地震分析時，根據設防烈度，將3條地震波的加速度峰值都分別調整到70cm/s2；罕遇地震分析時，根據設防烈度，將3條地震波的加速度峰值都分別調整到400cm/s2。計算得到結構層頂在多遇和罕遇地震作用下的位移時程曲線如圖5～圖8所示。

從上圖可以看出，在多遇地震作用下，頂層X向節點位移最大值約為64mm，頂層Y向節點位移最大值約為13mm；在罕遇地震作用下，頂層X向節點位移最大值約為380mm，頂層Y向節點位移最大值約為65mm。模型X方向的側移大于Y方向的側移，這表明模型X方向的側移剛度大于Y方向的側移剛度。此外，從圖還可以看出，每條波引起的結構側移存在明顯的差異。這是因為每條波的卓越周期不同所導致。從圖還可以看出，3#自然波引起的結構側移最大，1#自然波引起的結構側移最小。這表明：3#人工波的卓越周期與結構的自振周期差異最小。結構模型對不同的波差異較大，因此選擇合理的地震波是結構時程分析合理性的關鍵。

5 結論

目前高層建筑的使用與應用范圍越來越廣泛，本文以昆明地區某實際在建工程為實例，利用PKPM建模與ETABS有限元軟件進行建模與結構的地震響應分析，得到如下結論：①結構在不同的地震波作用下的反應存在顯著的差異。選擇地震波的時候，需要考慮地震動三要素。時程平均影響系數與規范反應譜影響系數差異較小時，選擇的地震波合理。②當地震波的卓越周期與結構的自振周期差異較小時，結構地震波引起結構的側移較大。

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