重庆某超高层建筑结构弹性抗震性能分析（论文） .pdf

2013.n0.49 1前言 重庆某超高层结构总建筑面积170354.6m2， 其中地上总建 筑面积112089m2， 地下建筑面积54218.94m2。 建筑地下部分8 层，高度35.95m，地上塔楼层数58层，共计282.3m。 平面布置如 图1 、图 2，剖面图见图3。 重庆某超高层建筑结构弹性抗震性能分析 孔德坤 (cmcu中联建筑，重庆400039) 摘要：重庆某超高层建筑共66层，建筑高度282.3m。 针对此类复杂结构的抗震分析，应采用两种及两种以上的力学模型。 该文利用pkpm、mi鄄 das、etabs三种软件对该超高层结构进行弹性分析，得出该结构弹性抗震性能符合国家现行规范的要求。 关键词：楼层剪力；倾覆力矩；层间位移角；扭转位移；楼层侧向刚度；楼层质量分布 中图分类号：tu355 文献标识码：a文章编号：1671-9107（2013）11-0049-07 收稿日期：2013-09-27 作者简介：孔德坤（1983-），男，安徽亳州人，研究生，工程师，主要 从事结构设计工作。 建筑结构 11 第12卷 总第121期 doi：10.3969j.issn.1671-9107.2013.11.049 2-1 图1裙房典型平面图 111/12 2-9 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-2 2-6 2-82-2 1-0 1-6a 1-5 1-4 1-3 鬂 鬄 鬅 鬆 蟆 訞訞 蟆 鬆 鬅 鬄 鬂 k l 图2一层塔楼平面图 鬄 鬅 鬆 鬄 鬅 鬆 图3塔楼剖面图 -0.150(26600) 6f 1f 2f 3f 4f 5f b8 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 5.0m 3.5m 4.7m 6.0m 6.3m 6.3m 5.25m 4.2m 3.5m 3.5m 5.4m 5.7m 5.7m 5.7m 0.000=268.15 16f 7.1m 7f15f 4.2mx9=37.8m 17f4.6m 18f29f 4.2mx12=50.4m 32f40f 3.9mx9=35.1m 45f56f 4.2mx12=50.4m 57f58f 5mx2=10m 30f5.2m 31f 8.6m 41f4.4m 42f 8.7m 43f7.9m 44f5m 5mx2=10m 2.6m 282.300=550.45 屋顶层 设备层 analysis on elastic seismic performance of a super high-rise structure in chongqing abstract: the super high-rise structure in chongqing has 66 floors with the total height of 282.3 meters. to analyze the seismic performance of a com- plicated structure like this one, two or more mechanical model are demanded. in this paper, three kinds of software, including pkpm, midas and etabs, are adopted to analyze the elastic seismic performance of this structure. the results show that the elastic seismic performance of the structure meets the current national standard requirements. key words: storey shear force; capsizing moment; interlayer displacement angle; torsional displacement ; lateral stiffness; floor quality distribution chongqing architecture 重庆建筑 振型 satweetabsmidas 周期振动方向周期振动方向周期振动方向 16.7964x6.69212x6.5229x 26.5905y6.62753y6.3416y 32.7540z2.61025z2.9936z 42.0203x1.94274x1.9419x 51.8333y1.90656y1.7840y 质量参与系数 （%） x99.5%x97%x92.33% y99.77%y97%y93.29% tt/t10.4040.3900.46 表1结构前9个振型周期 50 1.1分析软件与计算模型 依据 高层建筑混凝土结构技术规程（jgj3-2010 ）第 5.1.12，5.1.13条的要求，该工程需要采用两种不同力学模型的 结构分析软件进行结构整体计算， 并应采用弹性时程分析进 行补充计算。 因此，该工程采用了如下软件分别进行结构整体 弹性计算和时程分析： （1）satwe（2011.3月版）。 （2）etabs（9.7.4）。 （3）midas-building（ver.112.r3）。 计算模型中定义了竖向荷载和水平荷载工况， 其中竖向 荷载工况包括结构自重，附加恒荷载以及活荷载，水平荷载工 况包括地震作用和风荷载。 对于小震的水平地震作用考虑双 向地震以及偶然偏心的影响；考虑不同方向的地震作用；计算 了竖向地震作用。 地震作用的计算采取振型分解反应谱法，并 采用了时程分析法进行补充计算。 计算中考虑了结构的重力 二阶效应。 1.2计算参数 抗震设防烈度：6度。 抗震设防类别：乙类。 设计地震分组： 第一组。 场地类别：1类。 风压：0.45kn/m2(结构强度验算)； 0.40kn/m2(层间变形验算)。 根据规范及安评报告， 所取的地震加速度为小震：20cm/ s2。 2结构抗震性能分析 2.1周期和振型信息 采用satwe、etabs和midas计算，取前5阶振型进行对 比分析，具体信息如表1所示。 由上表可见三种软件输出的周期和振型较为吻合， 可初 步判定模型的分析结果准确、可信；三种软件计算的振型质量 参与系数均满足规规定大于90%的要求4、5；第一扭转周期和 第一平动周期的比值均小于规范0.85的限值4。 2.2风荷载和地震作用下结构楼层剪力与倾覆力矩比较 图4 、图 5对小震、中震及风荷载作用下的楼层剪力及倾覆 力矩进行比较。 各种工况下的底层剪力和倾覆力矩值见表2和 表3。 从以上图表得出， 在弹性设 计阶段，风荷载引起底层剪力、倾 覆力矩大于小震作用工况， 风荷 载起控制作用。 2.3结构弹性设计控制参数 验算 2.3.1层间位移角 本节研究多遇地震、 设防地 震和50年风荷作用下层间位移角 的分布情况（图6图10），并将最 大楼层层间位移角与抗震性能目 标进行对比（表3）。 由以上图表可见， 小震和50 年基准期风荷载作用下， 结构最 图4风荷载和小震楼层剪力比较 图5风荷载和小震楼层倾覆力矩比较 楼层剪力-x向 satwe小震 100年风 midas小震 etabs小震 楼层剪力-y向 satwe小震 100年风 midas小震 etabs小震 楼层 65 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -50 100003000020000 剪力(kn) 楼层 65 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -50 30000 剪力(kn) 5000 10000150002000025000 楼层倾覆弯矩-x向 satwe小震 100年风 midas小震 etabs小震 satwe小震 100年风 midas小震 etabs小震 楼层 65 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -50 1000000 弯矩(knm) 楼层 65 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -50 楼层倾覆弯矩-y向 4000000 30000002000000 1000000 弯矩(knm) 4000000 30000002000000 3/1000 2013.n0. 计算软件satweetabsmidas 小震方向x向y向x向y向x向y向 层位移比 塔楼1.131.131.171.131.091.03 裙房1.231.221.181.201.301.31 层间 位移比 塔楼1.151.1-1.171.12 裙房1.321.36-1.351.41 表4楼层最大位移比 计算软件 底层剪力（小震）倾覆力矩（小震） x向y向x向y向 satwe224842772424752793013860 etabs240202672023245732730515 midas199022315123033732656468 表2底层剪力及倾覆力矩表（kn，knm） 计算软件 地震力（小震） 风（50年） x向y向x向y向 satwe1/15191/16411/9391/1038 etabs1/18811/18431/8961/980 midas1/16351/15861/9801/1086 表3楼层最大层间位移角 51 大层间位移角小于1/5004，底层最大层间位移角小于1/2000， 在小震、50年基准期风荷载作用下，结构层间位移角满足既定 抗震性能目标。 2.3.2扭转位移比4 根据 高层建筑混凝土结构技术规程（jgj3-2010 ）第 3.4.5条规定，在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下， 楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移，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1.4 倍。 当楼层的最大层间位移角不大于规范规定的限值的40%， 该层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该层平均值的比 值可适当放松，但不应大于1.60。 从表4 、图 9 、图 10可以看出，由于塔楼结构平面布置比较 规则，楼层位移比和层间位移比均小于1.2；裙房部分由于结构 建筑结构 重庆某超高层建筑结构弹性抗震性能分析 11 第12卷 总第121期 图6 satwe层间位移角图（小震和50年风） x向层间位移角-satwe 小震 楼层 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -5 0 位移角 楼层 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -5 0 1/500风 1/1000 3/1000 1/500 位移角 1/1000 3/1000 1/500 y向层间位移角-satwe 小震1/500风 图7 midas层间位移角图（小震和50年风） 图8 etabs层间位移角图（小震和50年风） x向层间位移角-etabs 小震 楼层 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -5 0 位移角 楼层 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -5 0 1/500风 1/1000 3/10001/500 位移角 1/10003/1000 1/500 y向层间位移角-etabs 小震1/500风 x向层间位移角-midas 小震 楼层 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -5 0 位移角 楼层 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -5 0 1/500 风 1/10003/10001/500 位移角 1/10003/1000 1/500 y向层间位移角-midas 小震 1/500风 65 chongqing architecture 重庆建筑 楼层 satweetabsmidas 限值 x向y向x向y向x向y向 f61.191.190.930.931.201.221.1 f161.061.060.690.691.051.061.1 f311.101.090.480.481.101.091.1 f431.141.211.141.200.790.801.1 表5楼层侧向刚度本层与相邻上层的比值（不规则层） 楼层 etabs x向y向 f160.70.7 f310.730.76 表6楼层抗侧力结构的层间受剪承载力 与相邻上一层的比值（不规则层） 52 体型相对较为复杂，位移比相对较大，设计时应考虑双向地震 作用扭转效应。 2.3.3楼层侧向刚度比（表5） 由三种软件计算结果可知： （1） 结构嵌固端下一层抗侧刚度大于其相邻上一层的2 倍，满足嵌固端设计要求。 （2）结构抗侧刚度分别在第6、15、16、30、31、41、43层出 现一定程度的突变。 其中第6层为裙房以上第一层，第15、30、 41层抗侧刚度较其相邻上层偏大， 其原因是该部分楼层相邻 上层均为层高较大层，抗侧刚度相对较弱。etabs计算结果突 变最为明显，而midas和satwe计算结果变化不大，因此应 适当加大层高较大层抗侧力构件刚度予以改善。 （3） 第16、31、43层由于层高大于相邻上层，抗侧刚度相 对其上一层偏小， 尤其第16层三种软件结果均小于规范要求 限值，属软弱层，设计中通过地震力放大系数对结构抗侧刚度 进行调整4 （图 11）。 2.3.4层间受剪承载力比 依据 高层建筑混凝土结构技术规程（jgj3-2010 ）第 3.5.3条要求，b级高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载 力不应小于相邻上一层受剪承载力的75%。 从表6 、图 12可以看出，satwe和midas计算层间受剪承 载力比均满足规范要求，etabs计算的层间受剪承载力比除 16、31层外，均满足规范要求。 第16层由于层高较大，导致其x 向受剪承载力与上层比值略小于0.754，可通过调整结构设计， 适当提高本层结构构件承载力， 避免出现薄弱层和软弱层出 现在同一楼层。 10 图9楼层位移比图 图10层间位移比图 x向位移比 楼层 30 35 40 45 50 55 60 5 10 15 20 25 -5 0 位移比 楼层 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -5 satwe 1.50 楼层 30 35 40 45 50 55 60 5 10 15 20 25 -5 0 楼层 30 35 40 45 50 55 0 5 10 15 20 25 -5 midasetabs 1.21.4 65 0.700.901.101.30 位移比 1.50 0.700.901.101.30 65 y向位移比 satwemidasetabs 1.21.4 x向层间位移比 satwemidas1.21.4satwe midas1.21.4 y向层间位移比 65 60 65 位移比 1.50 0.700.901.101.30 位移比 1.50 0.700.901.101.30 图11楼层与相邻上层侧向刚度的 90%、110%或150%的比值图 x向抗侧刚度比 楼层 30 35 40 45 50 55 60 5 10 15 20 25 -5 0 刚度比 楼层 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -5 satwe 4.00 midas etabs 0.001.00 2.00 3.00 层刚度比下限 y向抗侧刚度比 satwe midas etabs 层刚度比下限 5.00 刚度比 4.000.001.00 2.00 3.005.00 2013.n0. 计算软件satweetabsmidas 小震方向x向y向x向y向x向y向 剪重比0.64%0.73%0.60%0.70%0.70%0.70% 表7楼层最小剪重比 satweetabsmidas 总质量单位总质量单位总质量单位 349390t375589t349793t 表8不同模型结构总质量表 53 2.3.5楼层剪重比 依据 高层建筑混凝土结构技术规程（jgj3-2010 ）第 4.3.12条要求，多遇水平地震作用下，对于6度区基本周期大于 5s的结构，结构各楼层的最小地震剪力系数为0.6%1，2，4。 从表7 、图 13中可以看出，satwe、midas、etabs计算的 楼层剪重比均大于或者等于规范规定限值。 2.3.6结构沿楼层质量分布 依据 高层建筑混凝土结构技术规程（jgj3-2010 ）第 3.5.6条要求，楼层质量沿高度宜均匀分布，楼层质量不宜大于 相邻下部楼层质量的1.5 倍。 从表8 、图 14可见，三种软件模型的总质量和楼层质量分 布十分接近， 塔楼楼层质量比除顶层设备层外均满足规范要 求，建议适当减少或优化顶层设备质量或者增加其下一层的楼 层质量。 2.3.7结构整体稳定性（刚重比） 建筑结构 重庆某超高层建筑结构弹性抗震性能分析 11 第12卷 总第121期 图12楼层与相邻上层抗剪承载力比图 x向抗剪承载力比 楼层 30 35 40 45 50 55 60 5 10 15 20 25 -5 0 抗剪承载力比 楼层 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -5 satwe midas etabs 0.00 1.002.003.00 satwemidas etabs 0.00 1.002.003.00 0.75 抗剪承载力比 y向抗剪承载力比 0.75 图13楼层剪重比图 x向楼层剪重比 楼层 30 35 40 45 50 55 60 5 10 15 20 25 -5 0 剪重比 楼层 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -5 satwemidasetabs 0%1%2%3% 0.60% 抗剪承载力比 y向楼层剪重比 satwemidasetabs 0.60% 5%4% 剪重比 0%2%6%8%4% 图14质量沿楼层分布及质量比图 质量沿楼层变化曲线 楼层 30 35 40 45 50 55 60 5 10 15 20 25 -5 0 楼层质量(t) 楼层 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -5 satwemidas etabs 楼层质量比 satwe1.5 6565 0 -10 10000 500004000030000 20000 楼层质量(t) 1432 -10 0 图15悬臂杆模型 h hi h1 h2 gi g1 g2 chongqing architecture 重庆建筑 计算软件satweetabsmidas 方向x向y向x向y向x向y向 1.531.851.221.181.191.32 2.553.082.031.971.982.20 刚重比 ejct/ h 2 n i=1 移gi移移 修正前 修正后 表9修正后结构刚重比表 地震记录编号 地震信息数据信息 分量 地震台站记录间隔记录持时 天然波一ag50-63-n2 1999年台湾集 集地震 chy0290.005s55s水平-n 天然波二 ag50-63-n31999年台湾集 集地震 tap0340.005s90s水平-e 天然波四 ag50-63-n61999年台湾集 集地震 chy0610.005s70s水平-e 天然波三ag50-63-n5 1999年台湾集 集地震 tcu0500.005s55s水平-e 天然波五 ag50-63-n71999年台湾集 集地震 hwa0280.005s90s水平-e 人工波一 ag50-63-n1 0.01s82s 人工波二 ag50-63-n2 0.01s82s 表10地震波选用表 54 从图15 、图 16 、表 9可见，在对 刚重比限值进行修正后3-4，三种 软件计算结果均表明该工程结构 整体稳定性满足要求。 2.4结构弹性时程验算 依据中国 建筑抗震设计规 范（gb50011-2010 ）和高层建 筑混凝土结构技术规程（jgj3- 2010）的有关规定，该工程选取5 条天然波和2条人工波4 （表 10）。 2.4.1底部剪力 弹性时程分析所得的底部剪 力如表11所示，上述7组时程曲线 主方向作用下的底部剪力大于振 型 分 解 反 应 谱 法 计 算 结 果 的 65%， 且平均值为反应谱计算结 果的80%以上，满足规范的要求。 2.4.2楼层剪力 图16楼层重力荷载设计值累计 楼层 67 -3 7 17 27 37 47 57 0 1000000400000030000002000000 重力荷载（kn) 移gi 移gi(hi/h) 2 图17时程分析与反应谱分析楼层剪力比较(midas) 图18时程分析与反应谱分析楼层剪力比较(etabs) midas楼层剪力-x向 楼层 30 35 40 45 50 55 60 5 10 15 20 25 -5 0 剪力（kn) 楼层 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -5 midas反应谱 65 0 65 7条波平均值（midas） midas楼层剪力-y向 midas反应谱7条波平均值（midas） 50002500010000 15000 20000 剪力（kn) 0 3000010000 20000 etabs楼层剪力-x向 楼层 30 35 40 45 50 55 60 5 10 15 20 25 -5 0 剪力（kn) 楼层 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 -5 etabs反应谱 65 0 65 7条波平均值（etabs） etabs楼层剪力-y向 etabs反应谱7条波平均值（etabs） 30000 10000 20000 剪力（kn) 0 300001000020000 2013.n0. ag50-63- n2 （天然波） ag50-63- n3 （天然波） ag50-63- n5 （天然波） ag50-63- n6 （天然波） ag50-63- n7 （天然波） ag50-63- 1（人工） g50-63-2 （人工） 平均 值 反应 谱 vx（kn191362078130154218241754017869176032070119902 与反应 谱的比 例 96%104%152%110%88%90%88%104%/ vy（kn）259032251335475256752063620744220182470923151 与反应 谱的比 例 112%97%153%111%89%90%95%107%/ 表11 etabs基底剪力比较表 55 由图17 、图 18可以看出，反应谱计算的楼层剪力小于7 组时程分析的楼层剪力平均值。根据高层建筑混凝土结构 技术规程（jgj3-2010）4.3.5条， 建议地震作用效应取时 程分析计算结果的平均值的进行设计4。 2.4.3层间位移角 图19 、图 20表明，7组 时程分析的最大层间位移 角平均值总体略大于反应 谱计算结果， 且均小于1/ 500的抗震性能目标4。 3结论 该工程为超限高层建 筑工程， 通过多个程序的 详细计算比较， 该工程具 有良好的弹性抗震性能， 有如下几个结论： （1） 建议适当减少或优化顶层设备质量或者增加其下 一层的楼层质量，使塔楼各楼层质量比均满足规范的要求。 （2） 在弹性设计阶段，风荷载引起底层剪力、倾覆力矩 大于小震作用工况，风荷载起控制作用。 （3） 结构的层间位移角、扭转位移比、侧向刚度比、层 间受剪承载力比等指标均满足规范要求。 （4）反应谱计算的楼层剪力小于7组时程分析的楼层剪 力平均值建议地震作用效应取时程分析计算结构的平均值 进行设计。 （5） 该工程核心筒在16 层、 31 层、 43层处收进，结构整 体刚度突变，因此在后期设计中应加强这几层结构刚度，并 适当提高收进部位剪力墙墙体配筋率和边缘构件配筋率。 参考文献： 1王亚勇.关于建筑抗震设计最小地震剪力系数的讨 论j.建筑结构学报.2013(2). 2任西京，吴喜珍.抗震设计中底部剪力系数与