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1、精品论文超高层结构抗震的有限元分析陶文超，李书进，周应茂 武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 (430070） E-mail: robbert_336摘要:为了深入探讨超高层建筑的动力响应问题，以武汉世贸锦绣长江 A2 地块 1 号楼三单 元 56 层高层住宅为例，运用大型有限元分析软件 ANSYS，分析了高层建筑结构的动力特性， 建立三维空间板梁结构有限元模型，对结构进行模态分析，并计算了结构的固有频率和固有 振型，用时程分析的方法研究了常遇烈度、设防烈度和罕遇烈度地震载荷作用下顶层的最大 位移响应，三种烈度的最大位移分别为 35.17mm、103.105mm、114.395mm 结果
2、表明：地震 烈度越大，结构的动力响应越大，三种烈度下的结构最大层间变位角均出现在 50 层左右， 说明 50 层为整个结构的薄弱层，为工程抗震设计提供了参考依据。 关键词：动力响应；地震波；薄弱层；时程分析近年来，国内外高层建筑发展迅速，随着建筑高度的不断增加，如何增强高层，超高 层建筑的抗震性能，减少地震灾害对人类的危害，已成为人们越来越关注的课题，我们以56 层剪力墙住宅为例，利用 ANSYS 内嵌的 APDL 二次开发语言，建立的三维空间板梁结 构的有限元模型1，对高层建筑结构的动力特性和不同烈度地震载荷作用下结构的动力响应 问题进行了研究。1. 结构实际模型的建立以及固有特性分析1.1
3、 实际模型的建立以大型有限元分析软件 ANSYS 9.0 为工具建立结构的实际模型，如图 1：结构单元 层数为 56 层，平面呈“T”形，平面最大长度 32.85m，平面最大宽度 19.5m，1 层层高 5.5m，2-20 层层高 3.1m，20 层以上层高 3.2m，建筑高度 179.6m，平面在 128.35m 处沿长度方向 有个收进。模型的梁采用三维梁单元模拟，均为单元 beam4，楼板和剪力墙采用壳单元模 拟，4 节点 shell63 单元。结构与地面简化为刚性连接，材料为混凝土，具有非线性塑性变 形的特点，材料常数为：弹性模量 30Gpa 泊松比 0.2 密度为 2600kg/m3.
4、ELEMENTSOCT 14 200809:01:40ZY X FRAME-SHEAR-WALL图 1 结构模型Fig 1 structrue model- 5 -1.2 固有频率的计算根据所建模型，利用有限元分析软件 ANSYS 计算出结构的固有频率如图 254.543.532.521.510.501 2 3 4 5 6 7 8 9 101.3 振型分析图 2 固有频率计算结果Fig 2 results of inherence frequency根据计算的频率可以得到结构相应的模态振型，我们计算结构前 10 阶自振周期以及频率，并绘制了前 8 阶相应的振型图。从图 3 中可以看出,第 1
5、阶振型在 y 方向倾斜,把它 称为“一边倒”, 第 2 阶振型向 x 方向“一边倒”,第 3 阶振型为扭转, 第 4 阶振型呈 y 方向“波 浪”振型,第 5 阶振型呈 y 方向“波浪”振型.Z ZX Y Y XZ ZY X Y X第一振型第二振型第三振型第四振型Z ZX Y X YZ ZX Y X Y第五振型第六振型第七振型第八振型图 3 结构模态振型图Fig 3 Mode of shape form2. 结构的地震响应以及分析2.1 地震波的选取建筑物的地震反应不仅与地震的峰值加速度有关，而且与地震的持续时间、场地土的 性质、地震的卓越周期、建筑物的位置和形状都有密切关系2。由于该工程地震
6、作用参数为： 抗震设防烈度 6 度；设计基本地震加速度值为 0.05g；设计地震分组为第一组；场地类别为 类；场地特征周期为 0.45g，依据这些特定条件选取三条地震波进行计算：美国加利福尼 亚埃尔森特罗（ELCentro）南北方向地震记录，特征周期为 0.3-0.4s，加速度峰值达到 341.7gal, 天然波 Taft，地震时间为 1952，加速度峰值达到 175gal，人工波 USER1，由武汉地震工程 研究院提出的人工模拟地面场地加速度时程曲线，最大加速度峰值 18gal。以上三条地震记 录的时间间隔均为 0.02s。如图 4：40.32210-1-20.200.1-20-0.1-4-
7、0.2图 4 三种烈度 8 秒峰值地震波记录Fig4 Three annal of seismic waves常遇烈度顶层加速度响应常遇烈度顶层位移设防烈度顶层加速度响应设防烈度顶层位移2.2 地震反应计算结果与分析根据选取的三种地震波，对结构进行三种烈度的地震响应计算和分析，地震为 y 向输入， 图 5 为地震波作用下结构的 y 向顶层位移和加速度响应。（横轴为时间，时长为 8 秒、位移 单位为 cm，加速度单位为 m/s2 ）罕遇烈度顶层位移罕遇烈度顶层加速度响应 图 5 Y 向顶层位移和加速度响应Fig5 Top layer displacement and acceleration r
8、espond由于 ANSYS 内嵌的 APDL 二次开发语言不但可以比较方便的实现地震波的输入，而且 可以很容易求得建筑结构层间变位角沿高度的变化如图 656514641层数363126211611610 0.0005 0.001 0.0015 层间位移角人工波 taft elc图 6 层间变位角沿高度的分布Fig6 Changing location between layers along altitude direction由图 6 可以看出，层间变位角的大小与地震烈度的大小有着直接的关系，地震烈度越大，层间变位角越大3。在几种烈度下，结构的最大层间变位角均出现在第 50 层左右。也就是
9、 说大约在第 50 整个结构的薄弱层，在设计时候应当加以注意。地震发生时第 50 最容易破坏.3. 结 论（1）高层建筑的固有频率呈由低到高越来越密的分布。结构在低阶的频率主要是结构 整体主结构的振型，而高阶频率主要是板的振型，且均为空间形式。由于结构的对称性，高 阶板的振型也体现了对称性。（2）结构的位移响应和加速度响应和地震的烈度有着直接的关系，烈度越大，响应越 大4。结构大约在第 50 层出现层间变位角的最大值，设计时候应加强这部分薄弱层结构， 或改变整体结构，提高结构整体抗震性能。(3)模型计算结果符合相关抗震理论，所作分析合理。参考文献1 陈晓霞.ANSYS7.0 高级分析【M】.北
10、京:机械工业出版社,20042 鲍华,徐礼华,周友.用 ANSYS 分析某高层建筑的非线性地震反应【J】.武汉大学学报,2003,36（4）:32-35 3 岳祖润,周宏业,陈幼平.某花园大厦的三维地震反应分析【J】.工程抗震,1999（6）:3-7.4 GBJ-89.建筑抗震设计规范【S】.Application of ANSYS in seismic response analysis of constructing of super high buildingsWenChao TaoShuJin LiYingMao ZhouCivil engineering and construct,
11、 Wuhan university of technology, Wuhan (430070)Abstractwith the application of ANSYS, the dynamic feature buildings is discussed in the present study, thelarge finite element analysis software, aimed at the analysis of dynamic response ofsuperhigh buildings Based on the case of a 56-story-building,
12、a model of beam and shell 3-D finite element structure is built and the frequency of structure and the mode of vibration are computed in the study, furthermore, the structural dynamic response is discussed under different seismic waves with the use of the history analysis method. The results show that the more intense the seismic wave is, the bigger is the dynamic response of the building, the information can be used for the anti-seismic design of structure.Keywords: dynamic response; seismic wave; unsubstantial layer; history analysis
