某高层建筑物结构动力特性和地震反应分析

李 超 郭艳坤

1 河南省省直机关房屋建设开发公司（450003） 2 中州大学（450044）

某高层建筑物结构动力特性和地震反应分析

李 超 郭艳坤

1 河南省省直机关房屋建设开发公司（450003） 2 中州大学（450044）

某市中心地段的一栋钢混剪力墙高层建筑，采用Etabs分析软件，对此建筑的结构动力特性进行分析，来推导阵型分解法中的合理振型数量，并采用非线性时程分析，分析该建筑物在多遇地震和罕遇地震作用下该结构的地震反应。

Etabs；动力特性；时程分析

1 工程概况

拟建的该高层建筑位于某市的中心地段，建筑占地1 793.22 m2(72.6 m×24.7 m),该建筑地下2层,地上18层,地下室高度均为4.5 m，第一层层高为4.8 m，第二、三层层高均为4.2 m，其余层高为3.0 m，建筑总高度为67.2 m，高宽比为2.72。该高层现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20，设计地震为第一组，建筑场地类别为Ⅱ。

2 有限元

根据结构构件的实际尺寸和受力状态进行详细的建模。在模型中梁、柱采用杆单元,剪力墙的墙肢和连梁采用墙和壳单元,楼板采用膜单元。在不考虑地下室和基础对上部结构的作用,将±0.000以下部分视为固结于地面。所以在Etabs中结构力学模型的底部支座选用固定支座。

3 结构动力特性

根据《高层建筑混凝土技术规程》的规定,在抗震计算时,计算振型数时应使振型参与质量不小于总质量的90%。为此,用Etabs计算了结构前18阶振型以分析高阶振型对结构的影响。因为结构没有考虑竖向质量,所以振型数据中没有出现竖向阵型。通过质量参与比分析，可以判断结构第一振型是X方向的平动，第二振型仍然是X方向的平动，第三振型为沿Z方向的转动。

由质量参与系数反应出该建筑结构的振动形式为平移—扭转耦连。结构前11阶累计质量参与系数各个方向都大于90%,在结构后4阶振型中,累计质量参与系数增长的比较小,X方向增长了3.6%，Y方向增长2.9%，Z轴旋转增长0.4%，从中可以看出后4个振型对结构的质量参与系数影响不大。

图1 Etabs模型

虽然高阶振型质量参与系数的增长不大，但从表1中可以看出，在高振型中,15、18阶对结构有较大影响,所以在计算高层建筑结构分析中,考虑高阶振型是有必要的。因此,取前11个振型进行CQC组合基本能反应出结构的真实受力情况，也符合质量参与系数大于90%的规定，这也验证了我国规范的正确性。

4 地震反应分析

4.1 地震波选取

试验对该建筑进行了动力时程分析，分别选用2条天然波和1条人工波:天然波选择EL Centro波、Taft波，人工波则根据场地地震地质环境评价报告提供的地震动参数生成了符合规范的平均值作为时程分析的代表值。分别沿建筑物X和Y向对结构进行了多遇地震作用和罕遇地震作用的时程分析，根据《高层建筑混凝土技术规程》的要求，分别将三条波在多遇地震和罕遇地震作用时的加速度峰值分别调整为70 gal和400 gal。

从EL Centro波、Taft波、人工波在多遇和罕遇地震作用下的节点位移时程曲线可以得到以下结论:

表1 振型质量参与系数

图2 顶层在X向在多遇地震作用下节点位移时程曲线（左）

图3 顶层在X向在罕遇地震作用下节点位移时程曲线（右）

图4 顶层在Y向在多遇地震作用下节点位移时程曲线（左）

图5 顶层在Y向在罕遇地震作用下节点位移时程曲线（右）

1）Taft波引起结构的侧移最大,EL Centro波次之,人工波最小,这反应出地震波的卓越周期与结构自振周期的接近程度；EL Centro波最接近,Taft波次之,人工波最远。

2）地震波在Y向引起的侧移与X向的侧移差不多,说明结构的X和Y向刚度相当。

3）不同的波产生结构最大侧移的时刻是不同的，这说明结构对不同特征的地震波的反应不同,体现在对结构进行分析时地震波选取的重要性。

4.2 结构最大水平位移和最大层间位移

《高层建筑混凝土技术规程》规定，按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比在高度不大于150 m的框架—剪力墙、框架—核心筒、板柱—剪力墙的楼层层间，最大位移与层高之比的限值为1/800；在3组地震波对结构产生的最大层间侧移角均在该限值之内,满足规范的要求,并且Taft波引起的结构最大侧移最大,反应谱次之,EL Centro与人工波引起侧移较小。

表2 多遇地震作用下最大侧移和最大层间侧移

5 结语

高层及超高层建筑结构在实际工程中的应用越来越广泛,但是结构形式也越来越复杂,对超高层建筑结构的动力特性，建筑物在罕遇地震作用下的反应分析越来越重要，已成为超高层结构设计的一个重要部分。

以某高层建筑为研究对象，采用Etabs分析软件，对此建筑的结构动力特性和地震作用下的反应进行分析。通过对结构动力特性的分析，得到合理振型数的选取决定了分析精度的高低，对于本结构平动—扭转耦连的振动形式,通过分析本结构的周期、振型以及振型质量参与系数可知,取前11阶振型作分析能够较精确地反应出结构的实际受力状态；在地震反应分析过程中对地震波的合理选取是至关重要的,它可以帮助设计者来分析在地震作用下建筑物的受力性能。

[1]JGJ 186-2002,高层钢筋混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[2]北京金土木软件技术有限公司.ETABS中文版使用指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2005,12.

[3]全国民用建筑工程设计技术措施.建筑结构,2003.

[4]梁进财,侯立新,李景望,暴伟.Etabs种一些重要参数的设置和输出[J].黑龙江科技信息,2008,23.