高层建筑设计论文建筑设计论文

高层建筑设计论文建筑设计论文

地震反应在高层建筑复杂结构设计中的分析摘要：某办公楼是结构体系复杂的大型建筑，在整个结构方案中为了满足建筑上的需求，经过了3次竖向转换。本文结合工程实例，应用国际通用软件ANSYS对结构的动力特性、反应谱及动力时程进行了分析，总结出规律，以便同类建筑参考。同时为设计和施工提供了科学可靠的依据。

关键词：复杂结构；地震反应；动力特性；时程分析

引言

现代建筑无论是在建筑形式还是在建筑结构体系上均有很大变化和创新，高层建筑的功能趋向于多样化和综合化，建筑的平面布置和竖向体型日趋复杂，这些趋势和变化对建筑物的抗侧力体系和建筑功能适应性提出了更高要求，尤其是超限高层，对结构的抗震要求尤为严格。

1 工程概况

本工程是平面规则、对称的正四边形建筑的钢筋混凝土框架-剪力墙核心筒结构，楼面采用现浇钢筋混凝土主次梁楼盖体系。因建筑设计的需要，建筑四周边得柱子没有垂直连续，而是在1-3层、20层中断，柱位向内偏移6.4米，结构方案采用的是在4层、19层、20层21层设置转换桁架，桁架高度同楼层高，通过一对一连接得斜柱，把不在同一轴线的竖向柱子连接起来，形成重力荷载的一个连续的传递链接，使竖向荷载传力途径有转折，但不中断。主要的抗侧构件核

心筒混凝土墙沿高度连续不中断，设计采用加厚核心筒四周边剪力墙至600mm厚，保证其有足够的抗侧刚度，并承担大部分水平力和倾覆力矩。

建筑总层数28层，地下三层，地面以上建筑总高度99.88米。1-2层、4-19层和20-26层层高3.6m、三层层高5.7m，二十层层高6.4m。透视图如图1，结构平面如图2。

1.1 本结构的特点

本结构为了满足建筑上的需求，建筑上有两次转换，第一次是在第四层，一到三层的平面布置一样，第四层往外悬挑6.4米，第一次空间的外拓，这里的转换见剖面图3，用的桁架斜撑来实现转换。第二次转换是20层，进行了内缩，回到了三层的平面布置，第三次转换是21层，又往外悬挑了6.4米，第二次和第三次的转换也是用的桁架斜撑来实现的。

本结构的特点就是，竖向上变化比较大，悬挑跨度大，是抗震的难点，抗震的要点是四层到二十层，这次桁架斜撑的转换的节点受力很大，地震作用下斜撑的受力值得关注，四层平面的力也是很大，剪力墙的侧向节点的力很大。第二次转换的时候的层高较大，层高为6.4米，转换层的节点的合理受力是个设计难点。

2结构分析方法

采用有限元分析方法，单元采用beam188和shell63，其中梁和柱子用beam188，楼板和剪力墙用shell63。特征值分析方法用的block

lanczos法。

将惯性力作为一种等价荷载，按静力平衡原理建立平衡方程即每个质点所受的力为弹性力、阻尼力和惯性力三种力平衡。

其矩阵形式的动力方程：Mü+Cū+Ku=P，其中M,C,K分别是结构的质量，阻尼和刚度矩阵，P为外力荷载。

3结构分析

本结构X方向37.5米，Y方向37.5米，内部剪力墙部分为15m×12m，用来竖向交通。楼板采用C30混凝土，柱子与梁采用C50混凝土。竖向斜撑为1.2×1.2m，剪力墙厚度0.3m，其余参数见下表1.

表1 结构构件截面参数

3.1 模态分析

对结构进行动力特性分析，因为该结构体型复杂，杆件众多，因此频率分布比较广，振型复杂，故对结构进行动力特性分析时取50阶振型和自振频率进行分析。第一频率为0.4947Hz，第20振型的频率为6.51Hz ，第50振型的频率为6.97Hz。结构的振型特点为：

(1) 频谱非常密集。从第1振型到第50振型，频率只相差6.47Hz，频谱变化比较均匀，无频率的跳跃现象，表明该结构动力特性的复杂性；(2) 通过五个软件的分析结果的比较，得出与ANSYS结果比较接近，周期都在2.0秒以上。(3) 结构第一阶为X向平动，第二阶为Y向平动，第三阶为扭转振型，结构以扭转为主的第一自振周期Tt

与平动为主的第一自振周期Tt之比Tt/Tt=0.911/2.020.45<0.9。满足《高规》4.3.5条的要求。

自振特性分析的基本数据见表2所列，图4至图6显示了前三阶的振型图

3.2 地震作用下的时程分析

为了考虑本结构的大震下的特性，对本巨型框架输入的地震波是EL Centro地震波，分析时间11秒，时间间隔0.02s，振型阻尼比采用的0.05，在时程分析时，地震波峰值加速度取3.417m/s2，并且在X(南北)方向、Y(东西)方向、Z(竖向)方向按1:1:0.6的比例输入。

图8到图12分别为两种支撑条件下的顶层位移、顶层速度、顶层加速度、底层柱剪力、底层剪力墙剪力的变化规律。

据上图可知：（1）分析结果看，核心筒刚度大，在地震作用下，剪力墙承担了90%以上的剪力，从而保证了结构的柱子可靠性和整体可靠性。（2）顶层位移变化和其余集中软件计算结果比较接近，是可靠的。本文时程分析下位移最大值是0.41m，satwe计算结果是0.277m，PNSAP计算结构是0.363m，MIDAS计算结构是0.36m。

3.3 本结构局部节点分析

针对本结构的特点，对结构的转换层部位的位移进行分析，总结出其规律。

根据ANSYS的结果，转换层在罕遇地震下位移最大值还是出现在顶层部位，最大位移Umax=0.398m，位移平均值为0.341m，最大

位移和层平均位移比值1.167，满足《高规》4.5.3条要求。

根据表4可知，转换层在20层比较薄弱，但是在大震下还是能满足《高规》4.4.3条层间抗测力构件的受剪承载力不应小于其上一层的65%.

4 结束语

本文的复杂结构在经过三次竖向转换，满足了建筑上的要求，在地震作用下变现了比较不错的性能，结构方案是可行的，桁架斜撑转换得方案也是容易实现的。

得到主要结论如下：

(1)通过模态分析，结构频谱非常密集，转换层的变形较大，不过总体上满足规范的要求。(2)通过时程分析，结构在地震作用下，剪力墙承担了90%以上的剪力，从而保证了结构的柱子可靠性和整体可靠性；顶层位移变化和其余集中软件计算结果比较接近，是可靠的；顶层速度和加速度都在合理范围内。(3)转换层的层间位移与楼层平均位移之比和竖向刚度满足规范要求，转换层的受剪承载力没有出现局部特别小的情况。

复杂结构体系的抗震是很重要的，本文通过桁架转换成功实现了大跨度悬挑，并且经历了竖向三次转换的超高层的设计，可以被同类工程的借鉴。

参考文献

[1]谢开仲,秦荣,彭文立,罗月静.北海机场新航站大楼网壳屋盖结