超限高层建筑结构动力特性分析与关键影响因素研究

超限高层建筑结构动力特性分析与关键影响因素研究

毛俊义

华森建筑与工程设计顾问有限公司广东深圳518054

摘要：本文通过某市超限高层建筑，简单分析一下其结构动力特性分析与关键影响因素研究，该超限高层建筑高181m，高于地面43层，该结构为钢筋混凝土框架为主体的中心结构单元，通过有限元软件Etabs的计算方式，分析该超限高层建筑的结构动力特性，确定振型分解法的合理振型参与数，以及应用不同的计算方法分析该结构体系在最强或者最不好的地震波灾害中其结构的地震反应。该超限高层建筑结构在国家建筑质量监管要求范围之内，希望该建筑结构动力特性分析与关键影响因素研究对今后数据分析研究具有一定的参考价值。

关键词：超限高层；etabs；动力特性；地震反应

为例的分析工程面积大致为71m×29m，其理论建筑面积大致为121430m2，分析工程的平面尺寸大致为高宽比H/B为5.50，长宽比为2.1，钢筋混凝土框架总高度181.08m，地下室埋深为10.1m。高于地面43层，低于地面2层，（平面结构见图1）。

图一标准层平面示意图

一、有限元计算模型，etabs的简单介绍

为例的分析工程所占土地分类为III类，预防地震的强度为6.97度，将其假设为地震分组第一组，场地特征周期为0.50s，基本风压为0.50kN/m2。在该建筑计算软件当中，计算要求实际输入的计算值要与实际相符，当输入实际建筑数据时，软件可以自动生成该建筑的结构模型与受力分析示意图，使得分析计算更为简单明了。在ETABS有限元软件的使用中，不同的单元具有不同的作用，有可以模拟建筑体墙面建设内、外的壳（SHELL）单元，但是需要复杂的剖析，整个过程缓慢而复杂，还有可以分析建筑体内平面内的受力情况分析的（MEMBRANE）单元，在建筑体内可以根据不同的特点，分析其为传递荷载的作用，还是支撑荷载的作用，然后通过各自的受力分析特点，采用不同的单元进行模拟转换。比如说建筑的梁、柱结构可以用杆单元进行模拟转换，墙面分析可以用壳单元进行转换，连梁的受力分析可以用壳单元进行转换。ETABS有限元软件的使用，可以对建筑体的受力分析做到相对精确的评定，还有在计算中要求输入的材料均工程实际进行输入操作，使模拟出来的建筑模型可以无限接近与该结构的实际情况，从而进行分析研究，这样计算出来的数据可以无限接近实际，具有一定的参考意义和价值。

二.结构动力特性分析

1.模态分析

建筑结构应该严格按照国家标准执行，在建造中严格遵守国家对建筑行业制定的指标文件，使工程可以在后期安全使用，工程队单位应该把住“四关”，采购关、检测关、运输保险关和使用关，对于工程使用到的材料全面监督检查，杜绝使用规格、型号、质量不合要求的建筑材料。根据之前的标准显示的抗震要求，还要考虑到重力因素的影响，质量源选“来自荷载”，将固定载荷系数设定1，不固定载系数取为0.5。排除其他干扰因素的影响，该建筑结构体系的自振周期取折减系数为0.8，ETABS有限元软件的使用计算表明如上图所示（表1）。

2.振型数目的确定

系统是采用差分定位方法确定振型个数，通过对测量建筑发射测量的定位误差的分析来校正振型数目，同时通过Kalman滤波方法来削弱其他干扰的影响，利用反馈回来的数据进行分析，从而得到每个振型参数与质量之间的关系（有效质量），这种方法可以有效确定振型数目，是一种非常高效简洁的方法。

3.结构自振特性分析

从计算的数据结果显示，该建筑体系的自振方式有明显的规律性：比如说在第1，5其自振方式为平伏的X向的面振动类型，在第2，6其自振方式为直立的Y向的面振动类型，第3，5其自振方式为扭转的Z向的面振动类型；扭转的Z向的面振动类型的第一自振周期Tt与平伏的X向的面振动类型T1之比为0.62，该结果表明自振方式为扭转的Z向的面振动类型对该建筑体系的影响不是主要影响，数据显示该结构体系的抗扭能力能够满足居住要求；自振方式为平伏的X向的面振动类型为主要振动类型，直立的Y向的面振动类型表现不明显，所以该建筑体系设计可不考虑直立的Y向的面振动类型即垂直地震的作用。

4.振型分解反应谱法

内部受力分析结构示意图，该建筑结构体系结不同方向地震作用下的受力分析数据结果计算显示（见表2）。

其自振方式为平伏的X向的平面振动类型与其自振方式为直立的Y向的平面振动类型都把国家建筑要求的最小剪重比1.59%为作为规范，自振方式为平伏的X向的平面振动类型的有效参考系数为97..98%，其自振方式为直立的Y向的平面振动类型99.49%，自振方式为平伏的X向的面振动类型与自振方式为直立的Y向的面振动类型的剪重比及有效参考系数均满足规范要求。数据之间的联系都是相互的可以相互监督参考，如果一方出现较大的偏差，一定是某一步骤出现了差错，要及时修正，协同对数据分析的每一步进行控制管理；一定要有专业的人员及时对数据进行整合分析，找出实际计算中一些问题，寻出原因，进行分析整理，使整个建筑结构模型最大限度的符合实际，使数据分析更完善也更合理。在工作中要尽可能的多收集一些相关的质量数据报告，把这些数据进行统计，把各种信息进行分类处理，尽可能找出在模拟计算过程中可能出现的问题或者是容易忽视的问题以及应采取的预防措施。

5.变形分析

符合实际是建筑模型计算的核心所在，没有好的模拟效果，计算出来的结果也就是空谈，根据实际的结构模拟出来的在单向地震作用下的不同层间的不同位移情况所示。从数据中显示可以看出，26层为一个分水岭，26层以下为2.9m，26层以上突然增长到为5.35m，其自振方式为平伏的X向的平面振动类型与其自振方式为直立的Y向的平面振动类型在26层突然都增强了，如果以该建筑体系的变形数据显示，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）第4.6.3条规定，本工程楼层层间最大位移与层高之比△u/h限值为1/714（结构高度按175.05m计），本工程计算的最大层间位移角为1/2153（自振方式为平伏的X向的面振动类型）和1/1018的层间位移26层为一个分水岭，26层以下为2.9m，26层以上突然增长到为5.35m，（其自振方式为直立的Y向的面振动类型）最大层面位移与层面位移之比没有超过1.5，符合标准。

三、关键影响因素

根据有限元程序计算数据以及上面进行的结构动力特性分析，如何使超限结构在地震来袭时更加安全，我们就关键影响因素以及结构设计调整做简单的分析：上文我们采用结构自振特性分析来简单阐述了结构在地震作用下的振动形式及状态。超限高层建筑要想达到在地震中基本完好，必须依照计算结果结果对结构进行配筋设计，以及通过内力调整放大、加强抗震构造措施等定性方法来达到。通过定量化地分析超限结构在地震中的受力分析，可以进一步发现体系整体抗震的薄弱地方，加以完善。（1）上文数据显示26层为一个分水岭，26层以下为2.9m，26层以上突然增长到为5.35m，其自振方式为平伏的X向的平面振动类型与其自振方式为直立的Y向的平面振动类型在26层突然都增强了，所以当扭转程度超过该建筑的弹性即楼层最大位移比其最大与最小位移平均值大的时候，体系整体抗震能力减弱。（2）体系结构不完整，局部不连续。当楼板面积比开洞处面积的50％小，即开洞面积大于楼板面积30％的时候，该体系结构不完整，整体抗震能力减弱。（3）通过内部受力谱图分析可知：其自振方式为平伏的X向的平面振动类型与其自振方式为直立的Y向的平面振动类型的底部剪力数值相差不大，这个结果显示两种振动类型在两个水平轴面方向的刚度作用力区别相差不远，所以他们对应的地震作用计算结果也应该相差不大，其自振方式为平伏的X向的平面振动类型比其自振方式为直立的Y向的平面振动类型的刚度作用力稍强，地震作用会有一些微弱的差别，因此基底剪力稍大。侧向刚度不规则。《高规》的规定为某层的侧向刚度小于相邻上层的70％或相邻上三层平均值的80％。当某层层高大于上一层特别多时，可能会出现侧向刚度不规则。

四．结论

本文以某市超限高层建筑为例，简单的其结构动力特性分析与关键影响因素研究，该超限高层建筑高181m，高于地面43层，该结构为钢筋混凝土框架为主体的中心结构单元，我们通过有限元软件Etabs的计算方式，分析该超限高层建筑的结构动力特性，确定振型分解法的合理振型参与数，分析工程所占土地分类为III类，预防地震的强度为6.97度，模型建设合理安全，数据准确，能有效为之后的设计和施工提供一定的参考意见和建议。（1）本工程结构布置合理，受力形态合理，自振方式为平伏的X向的平面振动类型比其自振方式为直立的Y向的平面振动类型的刚度作用力稍强，地震作用会有一些微弱的差别，因此基底剪力稍大。（2）选择合适数量的振型，同时通过Kalman滤波方法来削弱其他干扰的影响，利用反馈回来的数据进行分析，从而得到每个振型参数与质量之间的关系（有效质量），这种方法可以有效确定振型数目，是一种非常高效简洁的方法。

（3）根据实际的结构模拟出来的在单向地震作用下的不同层间的不同位移情况，26层为一个分水岭，26层以下为2.9m，26层以上突然增长到为5.35m，其自振方式为平伏的X向的平面振动类型与其自振方式为直立的Y向的平面振动类型在26层突然都增强了，但是最大层面位移与层面位移之比没有超过1.5，符合标准，所以当扭转程度超过该建筑的弹性即楼层最大位移比其最大与最小位移平均值大的时候，体系整体抗震能力减弱。（4）体系结构不完整，局部不连续。当楼板面积比开洞处面积的50％小，即开洞面积大于楼板面积30％的时候，该体系结构不完整，整体抗震能力减弱。

参考文献：

[1]李云贵，邵弘，陈岱林.高层建筑结构中对楼板模型的简化［J］.土木工程学报，1998，31（5）：73-78.

[2]GB50009-2001，建筑结构荷载规范［S］.

[3]方鄂华，钱稼茹，叶列平.高层建筑结构设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2003.

[4]梁启智．高层建筑结构分析与设计［M］．广州：华南理工大学出版社，1990.

[5]JGJ3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

[6]王元清，黄怡，石永久，等.超高层钢结构建筑动力特性与抗震性能的有限元分析［J］.土木工程学报，2006，39（5）：65-71.

[7]王广运，李丹.高层建筑混凝土结构应用的发展应该注重的几个问题[J].科技资讯，2008（15）：43；

[8]张守信，高焕文，王晓燕高层建筑混凝土结构术定位理论与应用的现状与推进模式[J].中国农业大学学报，2000，5：44-49.

[9]张振国.高层建筑混凝土结构中的应用与发展方向.电子技术与软件工程，2015，（9）：163.