高层地震响应的建筑结构论文

1工程项目案例

案例A为河南省郑州市某塔楼项目，结构高度为295m，共67层。采用支撑框架-核心筒-环带桁架混合结构体系，其中外框架由型钢混凝土柱、柱间支撑及钢梁组成。柱间支撑沿着外框四边的边跨(跨度10.5m)布置，柱间支撑在第四道环带桁架处(58层)停止。沿塔楼立面布置了4道加强层，每道加强层由2层楼高的环带桁架将框架柱连接在一起，增加了外框结构的整体性和抗侧能力。塔楼标准层结构平面和整体模型如图1(a)和图2(a)所示。竖向构件尺寸由底到顶逐渐减小，混凝土强度等级为C60～C50。型钢混凝土柱直径尺寸为2400～1200，含钢率为边柱2%～3%、角柱3%～4%。核心筒外墙厚为1100～600，内墙厚为600～300。案例B为无锡市南长区某住宅项目，塔楼地上33层，结构高度为102m。采用剪力墙结构体系，标准层墙厚为200，底部加强区墙厚为300mm。

2不同场地特征的地震作用反应谱

抗震规范［4］提供的特征周期值如表2所示，由于场地类别为Ⅰ0的情况很少，只考察Ⅰ1，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ类场地的情况。根据设计地震分组及场地类别的不同，绘出两案例的多遇地震反应谱，如图3，4所示，图中Ts1和Ts2分别表示结构第1，2阶X向平动周期。由图3，4可以看出，设计地震分组和场地类别的不同均会反映在场地特征周期的不同上，因而引起反应谱变化，特征周期越大，反应谱的谱值越大，且反应谱值受场地类别的影响比受设计地震分组的影响要大。

3不同场地特征的结构地震响应

采用有限元软件计算两案例在多遇地震作用下不同设计地震分组及不同场地类别下的结构响应，案例A采用ETABS软件，案例B采用PKPM软件。表5，6为案例A，B在不同设计地震分组和不同场地类别下结构的X向总响应，图5～8为案例A，B在不同设计地震分组和不同场地类别下结构各层最大层间位移角。由表5，6可以看出，不同设计地震分组和场地类别下，高层建筑结构在多遇地震作用下的基底剪力和倾覆力矩均有较大差异，且场地类别对结构响应的影响相对设计地震分组的影响大。每改变一级设计地震分组，结构总体受力改变10%左右，每改变一级场地类别，结构总体受力改变15%左右。由表5，6和图5～8可以看出，案例A(长周期结构)的层间位移角受设计地震分组及场地类别的影响较大，每改变一级设计地震分组，结构最大层间位移角改变8%左右，每改变一级场地类别，结构总体受力改变12%左右。案例B(短周期结构)的层间位移角在设计地震分组为第三组、场地类别为Ⅳ的时候与其他情况差异较大，相差20%左右，而在其他情况差异较小。图8(b)案例B不同场地类别下的层间位移角之比显示，场地类别Ⅳ时较其他三种场地类别时增加较大，主要是因为第1阶周期对应的反应谱值增加较多。而其他三种场地类别时，在第2周期及更高阶周期对应的反应谱值差异较大，因而在结构第2阶及更高阶响应的差异较大，因此这三种场地类别对应的层间位移角差异沿高度分布基本符合第2阶平动振型的形状。

4不同场地特征的结构长周期地震响应

由表3，4可知，案例A为长周期结构，其第1阶周期对应的反应谱值在不同场地特征下差异较小;案例B第1阶周期对应的反应谱值在设计地震分组第三组和场地类别Ⅳ的情况下相对其他情况有较大增长(26%)，而其他情况下的差异在8%以内。表7列出了结构在原场地参数下一阶响应占总响应的比例，可以看出结构一阶响应是总响应的主要组成部分，周期越短的结构(高频结构)，一阶效应控制表现得越明显。

5结论

结构水平地震作用下的响应随不同设计地震分组和场地类别的不同而有所变化。针对实际工程中的高层建筑结构模型进行反应谱分析，考察了场地特征参数对其地震响应的影响。(1)对于不同设计地震分组和场地类别，高层建筑结构在多遇地震作用下的基底剪力和倾覆力矩均有较大差异，且场地类别对结构响应的影响相对设计地震分组的影响大:每改变一级设计地震分组，结构总体受力改变10%左右，每改变一级场地类别，结构总体受力改变15%左右。(2)基本周期大于3s的长周期结构，其层间位移角受设计地震分组及场地类别的影响较大，每改变一级设计地震分组，结构最大层间位移角改变8%左右，每改变一级场地类别，结构总体受力改变12%左右;基本周期在2.5～3s之间的短周期结构，其层间位移角在设计地震分组第三组、场地类别Ⅳ的情况下比其他情况差异较大，相差20%左右，故该类结构在该类场地下，可对结构的基本周期稍做调整，使其基本周期大于3s。

作者：董佩伟1赵昕1，2工作单位：1同济大学土木工程学院建筑工程系2同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司