高层建筑结构设计的地震反应分析

摘要：结合工程实例，阐述了高层建筑结构设计地震反应分析模型，并对初步设计阶段结构动力特性进行了分析，最后对框架层间剪力的调整和现浇楼面梁的刚度增大系数进行了分析。

关键词：高层建筑；抗震设计；梁刚度增大系数

我国高层建筑的结构材料一直以钢筋混凝土为主。随着设计思想的不断更新，结构体系日趋多样化，尤其是在抗震设防地区，如何准确地对这些复杂结构体系进行抗震分析以及抗震设计，已成为高层建筑研究领域的主要课题之一。近年来，许多科研和软件设计人员对高层建筑结构进行的大量的分析与研究，目前我国已有多种高层建筑结构分析设计软件。

但是，在建筑功能等要求复杂多样化的今天，工程设计中经常会遇到一些问题，如果简单地直接应用设计软件计算设计，可能会出现不必要的浪费，有的甚至造成工程事故，这就要求结构工程师不断积累经验，运用概念设计的原则，结合理论分析与试验数据对具体工程一些特殊问题具体分析、具体处理。

1 工程概况

某大厦地处市中心地段，为市标志性建筑。整个建筑由酒店、商场、公寓和会堂四部分组成，总建筑面积13.5万m2，分两期工程进行设计建造。一期工程xx酒店为xx大厦的主体建筑，由四星级高级宾馆及部分五层裙房组成，建筑面积为7.6万m2，地下两层、地上36层，建筑高度99.8m。五层以下为健身、娱乐、餐饮、购物等配套设施，面积较大， 6层主要为音乐茶室，7层为设备层，8-30层为宾馆客房，顶层设观景餐厅。

酒店主楼采用现浇钢筋混凝土内筒外框架结构体系，按7度抗震设防，建筑场地类别为II类，抗震设防类别为丙类，框架和剪力墙的抗震等级均按二级。

2高层建筑结构设计地震反应分析模型

此酒店工程为超限高层建筑，建筑高度为99.8m，结构形式为钢筋混凝土现浇内筒外框架结构体系。5层以下面积较大，其中地下1, 2层为设备用房，地上1-5层为健身、娱乐、餐饮、购物等配套设施。6-31层为标准层，其中7层为设备层，其余层为宾馆客房。顶层设观景餐厅。

针对该工程实际情况，经多方分析研究，在工程计算中采用了中国建筑科学研究院编制的“高层建筑结构分析程序TBSA”进行计算，采用清华大学建筑设计研究院编制的“空间结构通用设计系统TUS”和中国建筑科学研究院编制的进行复核验算。中国建筑科学研究院编制的“多层及高层建筑结构二维分析与设计软件TAT”采用二维空间模型，剪力墙采用薄壁柱单元模拟，梁、柱采用空间杆系单元模拟，可用于分析复杂体型结构，比较真实地反映结构的受力性能。对复杂体型结构可进行地震作用下的平动和扭转祸联分析，考虑竖向荷载、风荷载和地震荷载在不同工况下的内力组合。可模拟施工过程，进行竖向荷载作用下的施工模拟计算，解决一般程序中一次性加载时对柱子轴向变形估计过大而引起的误差问题，可真实地反映结构受力性能。该程序假定楼板在平面内为无限刚性的，平面外刚度为零，但对跨层柱等空旷结构可以定义弹性节点而不考虑楼板的作用。下面介绍的均为采用“多层及高层建筑结构二维分析与设计软件TAT”对新益酒店结构进行空间受力分析的计算过程及结果。图1为酒店空间有限元模型图。

图1酒店空间有限元模型图

3 初步设计阶段结构动力特性分析

进入初步设计阶段后，首先按方案阶段确定的结构布置进行计算分析。计算模型取自0.000至塔顶，假定楼板为平面内刚度无限大。采用“多层及高层建筑结构二维分析与设计软件TAT”计算的结构前15阶自振周期列于表1。

表1结构前15阶自振周期表/s

其中，T1=3.696s为Y方向平动周期;T2=2.636s为X方向平动与扭转祸联周期; T3=2.473s为X方向平动周期。X方向为结构平面的长轴方向，即纵向;Y方向为结构平面的短轴方向，即横向。

X方向(纵向)底层剪重比为1.816%，二层剪重比为1.887%;Y方向(横向)底层剪重比为1.538%，二层剪重比为1.600%。

从表1可以看出，结构X方向(纵向)自振周期及地震力基本正常，而结构Y方向(横向)自振周期偏长、结构刚度偏低，对应于水平地震作用的剪力较小(底层剪重比为1.53 8%

表2增加剪力墙后结构前15阶振型周期表/s

从表2计算结果不难看出，结构Y方向(横向)自振周期及结构刚度基本趋于正常，对应于水平地震作用的剪力加大(底层剪重比为1.602%> 1.6%)结构的抗震能力得到加强，整个建筑结构方案更加安全合理。

4框架层间剪力的调整

酒店是在2007年9月开始设计，而当时执行的《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》（JGJ3-91)中规定，对于框架承担的地震总剪力Vf

按《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》C JGJ3-91)的方法，TAT计算结果:0.2Qox=4079. 5 kN,1.5Vxmax=3818.9 kN;0.2Q0=3538.9 kN,1.5Vymax=5701.4 kN;程序自动地计算出了各层的框架剪力调整系数，并以此对全楼各层框架剪力进行调整。

通过分析，采用下列方法进行框架剪力调整:

(1)对5层以下按规范要求进行调整。根据TAT计算结果有: 0.2Qox=4079.5kN, 1.5Vxmax=3818.9kN; 0.2Qoy=3538.9 kN，1.5Vymax=5701.4 kN; X向基准数据为1.5Vxmax=3818.9kN,Y向基准数据为0.2Qo=3538.9 kN。

(2)对于6-31层采用人为干涉，首先计算第六层层间总剪力的0.2倍和6-31层各层框架部分承担的层间剪力最大值的1.5倍，然后取二者较小值作为剪力调整的标准，6-31层层间框架剪力小于此标准的按此标准调整，大于或等于此标准的按计算值。根据TAT计算结果对于6-31层有:0.2Q0x=3182.7kN, 1.5Vxmax =3034.7 kN; 0.2Qoy=2731.3 kN, 1.5Vymax =4583.6 kN; X 向基准数据为1.5Vxmax=3034.7 kN,Y向基准数据为0.2Qo=2731.3 kN。

(3)至于地下部分和32层以上部分则不进行剪力调整。

5 现浇楼面梁的刚度增大系数

在酒店结构分析计算中，针对上述问题，采用不同楼面梁刚度增大系数分别进行计算，对计算结果进行了认真的分析比较，最后采用了比较合理楼面梁刚度增大系数进行结构设计。

方法一:首先不考虑翼缘的作用，即楼面梁刚度增大系数取值为1.0，方法二:在整个结构模型及其他计算参数保持不变的情况下，取楼面中梁刚度增大系数为2.0进行计算，比较方法一、方法二计算结果可以看出，无论是结构自振周期还是地震剪力、地震弯矩，均相差较大。方法二的第一振型周期(T1=3.0782s)是方法一的第一振型周期(T1=3.5639s)的0.8637倍。以X方向17层为例，方法二的地震力、地震剪力、地震弯矩和剪重比分别是方法一的1.045倍、1.129倍、1.124倍和1.129倍。比较两种计算方法的混凝土构件配筋，对于混凝土柱、剪力墙，由于大部分为构造配筋，所以两种计算方法相差不大，但对于框架梁却相差较大，而与剪力墙相接的连梁则相差更大。

注：文章内的图表及公式请到PDF格式下查看