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摘要：随着建筑的高度增加，建筑结构的水平作用力也随之增加。我国是个多地震国家，建筑只有采用正确的总体方案、材料使用和细部构造，才达到合理设计的目的。为更安全和经济地计算地震对建筑物的影响，需采用较为合适的抗震计算模型和分析方法，使计算分析结果更能反映地震时结构反应的实际情况，从宏观上实现了合理抗震。本文主要运用ANSYS通用有限元软件对某高层建筑结构进行抗震分析，从而通过位移找出结构的薄弱点。
关键词：高层建筑 结构抗震 动力分析
高层建筑是作为一个国家科技发展水平、经济发展水平的标志和展现，随着我国经济的快速发展，高层建筑在北京、上海、广州、深圳、武汉等城市逐渐增多。如何保证高层结构在地震作用下的可靠性和经济性，是高层结构抗震设计的课题。近年来，建筑功能的多样化使得结构的体型越来越复杂，这对复杂高层建筑的结构分析和设计提出了更高的要求。抗震设防标准和经济实力以及所处地区的地震发生规律息息相关。抗震设防要求综合考虑地震环境、建设工程的重要程度、允许的风险水平、国家经济承受能力和要达到的安全目标等因素。准确、快速、经济地对高层建筑进行抗震分析，是高层建筑设计的重要部分。
1 高层建筑结构分析方法的概述
随着高层建筑结构的不断发展，高层建筑结构分析方法直接影响建筑物的质量、结构安全和功能，是一个值得注意和重视的重要问题。结构分析方法也经历了一个从简单到复杂，从手算到计算机仿真的一个过程。从20世纪50到70年代后期，由于高层建筑结构体型较为简单，且受到计算机技术的限制，框架结构、剪力墙结构和框架－剪力墙构成了当时的主要结构形式，框架结构体系主要用力矩分配法分层法以及反彎点法等；70至80年代，随着计算机技术的发展，高层建筑空间协同工作分析法得到了广泛的应用；80年代后期，出现不少高层建筑新结构体系，由于高层建筑的平面和体型日趋复杂，空间协同工作分析法已无法满足工程需要，从而被三维杆件分析法所取代。1987年中国建筑科学研究院设计三维杆件空间分析程序TBSA以及大型通用商用有限元软件（ANSYS、ADINA等）都属于这类软件。随着科技的发展以及各种地震实际数据的采集，地震动力特性和结构动力特性已经逐步被人类所理解并加以运用，现代结构抗震设计理论从20世纪初的静力阶段、发展到今天基于性态的抗震设计理论阶段。
2 抗震概念设计
由于地震作用的不确定性和复杂性，由于构件轴向变形、P-△效应，非结构墙体刚度的影响、材料特性的时效变化、结构阻尼随变形而变化、地基与结构共同作用等因素在结构动力反应分析中难于考虑，在设计时选择建筑总体外形是非常重要的，结构平面较为简单，圆、三角或正多边形建筑，对称且横竖向质量和刚度变化均匀。根据分析得出，建筑结构外形为长方体时，其建筑质量分布为上下均匀，其地震力作用在建筑高度的2/3处；当建筑外型采用锥形体，其建筑质量分布为上小下大的二次曲线分布，其地震力作用点位于建筑高度的2/5处。当仔细研究这些典型形式，就易发现，实际建筑形式只能近似或介于某两个典型形式之间，具有自己的基本质量分布的归类特性，以便对抗震设计的重力荷载代表值GE、风荷载、地震作用做出粗略的估计。
3 有限元模型
为了探讨高层建筑的抗震动力分析，本文选取的建筑是由16米高的裙房部分和52.7m的上部塔楼，结构主要形式为框架剪力墙结构，四层地下室，四层裙楼上设有屋顶花园。梁、柱、楼板和剪力墙的材料均为钢筋混凝土；建立模型时对结构进行整体考虑和分析，略去次要元素。ANSYS有限元软件中提供了能适应不同变形的有限单元，从而提高的了模拟效率。本模型采用了适合分析细长到中等粗短并考虑了剪切变形的影响的Beam188单元来模拟梁、柱结构；用既具有弯曲能力，又有薄膜特性，可以承受面内荷载或法向荷载Shell63来模拟板。
4 结果整体分析
为了更好地研究地震作用下结构的动力反应，结合场地条件和特征周期，所选取的地震波应主要考虑不小于建筑结构基本自振周期3～4倍的加速度时间历程，不宜小于12s。根据模态分析的结果，结构基本周期约为2.34s，因此地震波持续时间按较大值可取12s，本文采用NORTHRIDGE波时程分析。
图1 各楼层位移图
为了研究x、y、z三个方向的地震反应，需要对三个方向分别输入地震波，图1给出了在这三个方向地震波作用下，位移随楼层而变化趋势图。从图中我们可以发现，x、y两个方向的位移变化规律基本相同，只是受两个方向刚度的影响，位移结果稍有不同，在结构设计时应注意加强y方向的刚度，以及构件的裂缝和承载能力。并且位移图中也反应出4-5层之间的位移变化具有突变，这主要是这两层刚度有突变。且在裙楼顶设置了屋顶花园，结构质量发展变化，这点与事实相符；z方向的位移在结构17-18层之间突然减小，说明在结构的顶端楼层位移方向发生变化，z方向在整体刚度并不均衡，在结构设计时应重点关注梁柱的承载力以及构件之间的构造连接。X方向上最大位移为47.3mm是14747号节点发生在9.7s；Y方向上最大位移为77.4mm是14749号节点发生在8.8s；Z方向上最大位移31.4为14152号节点发生在0.02s，结构在NORTHRIDGE波作用下的最大底部反力为：Fx=-8752.9kN、Fy=-9074.5kN、Fz=297560kN。
根据抗震变形验算，在x、y方向的最大层间位移为6.33mm<11mm，符合规范要求；最大的位移角也没有超过1/800的限值。在设计时应适当考虑应刚度突变导致部分楼层竖向位移和位移角大于水平方向，并考虑x、y方向发生在刚度有突变的部位的层间最大剪力。
5 结论
我国的抗震规范是容许结构在抵抗强地震，结构某些构件发生不影响结构整体稳定的开裂或屈服，从而使得房屋震动周期加长，并且增加建筑物本身的阻尼，因而可以实现建筑物在抵抗强震而不破坏。强烈地震时，结构仍要进入弹塑性，从而引起结构构件的损伤与破坏。在设计时需考虑这类构件破坏是建筑物的整体稳定性。采用结构振动控制的方法去改善这类建筑结构的抗震设计是必要和可行的。通过反应谱分析，得到给出结构内各构件的内力、应力、位移分布，并找出了结构薄弱环节。
参考文献：
[1]张小云．建筑抗震（第一版）．北京：高等教育出版社，2003
[2]梁波．结构动力学．武汉：华中科技大学出版社，2001
[3]王亚勇．关于设计反应谱、时程法和能量方法的探讨．建筑结构学报．2000，21（1）：21-29
[4]徐植信，胡再龙．结构地震反应分析（第一版）．北京：高等教育出版社，1993
[5]王呼佳，陈洪军．ANSYS工程分析进阶实例．北京：中国水利水电出版社，2006
[6]袁波，郭子雄．基于位移的抗震性能评估方法评述．工业建筑．2004，34（9）：66-70
简介：蒋泽佳（1981-1），男，四川资阳，职称：助理工程师，学历：大专，主要研究方向：建筑工程结构。
关键词：高层建筑 结构抗震 动力分析
高层建筑是作为一个国家科技发展水平、经济发展水平的标志和展现，随着我国经济的快速发展，高层建筑在北京、上海、广州、深圳、武汉等城市逐渐增多。如何保证高层结构在地震作用下的可靠性和经济性，是高层结构抗震设计的课题。近年来，建筑功能的多样化使得结构的体型越来越复杂，这对复杂高层建筑的结构分析和设计提出了更高的要求。抗震设防标准和经济实力以及所处地区的地震发生规律息息相关。抗震设防要求综合考虑地震环境、建设工程的重要程度、允许的风险水平、国家经济承受能力和要达到的安全目标等因素。准确、快速、经济地对高层建筑进行抗震分析，是高层建筑设计的重要部分。
1 高层建筑结构分析方法的概述
随着高层建筑结构的不断发展，高层建筑结构分析方法直接影响建筑物的质量、结构安全和功能，是一个值得注意和重视的重要问题。结构分析方法也经历了一个从简单到复杂，从手算到计算机仿真的一个过程。从20世纪50到70年代后期，由于高层建筑结构体型较为简单，且受到计算机技术的限制，框架结构、剪力墙结构和框架－剪力墙构成了当时的主要结构形式，框架结构体系主要用力矩分配法分层法以及反彎点法等；70至80年代，随着计算机技术的发展，高层建筑空间协同工作分析法得到了广泛的应用；80年代后期，出现不少高层建筑新结构体系，由于高层建筑的平面和体型日趋复杂，空间协同工作分析法已无法满足工程需要，从而被三维杆件分析法所取代。1987年中国建筑科学研究院设计三维杆件空间分析程序TBSA以及大型通用商用有限元软件（ANSYS、ADINA等）都属于这类软件。随着科技的发展以及各种地震实际数据的采集，地震动力特性和结构动力特性已经逐步被人类所理解并加以运用，现代结构抗震设计理论从20世纪初的静力阶段、发展到今天基于性态的抗震设计理论阶段。
2 抗震概念设计
由于地震作用的不确定性和复杂性，由于构件轴向变形、P-△效应，非结构墙体刚度的影响、材料特性的时效变化、结构阻尼随变形而变化、地基与结构共同作用等因素在结构动力反应分析中难于考虑，在设计时选择建筑总体外形是非常重要的，结构平面较为简单，圆、三角或正多边形建筑，对称且横竖向质量和刚度变化均匀。根据分析得出，建筑结构外形为长方体时，其建筑质量分布为上下均匀，其地震力作用在建筑高度的2/3处；当建筑外型采用锥形体，其建筑质量分布为上小下大的二次曲线分布，其地震力作用点位于建筑高度的2/5处。当仔细研究这些典型形式，就易发现，实际建筑形式只能近似或介于某两个典型形式之间，具有自己的基本质量分布的归类特性，以便对抗震设计的重力荷载代表值GE、风荷载、地震作用做出粗略的估计。
3 有限元模型
为了探讨高层建筑的抗震动力分析，本文选取的建筑是由16米高的裙房部分和52.7m的上部塔楼，结构主要形式为框架剪力墙结构，四层地下室，四层裙楼上设有屋顶花园。梁、柱、楼板和剪力墙的材料均为钢筋混凝土；建立模型时对结构进行整体考虑和分析，略去次要元素。ANSYS有限元软件中提供了能适应不同变形的有限单元，从而提高的了模拟效率。本模型采用了适合分析细长到中等粗短并考虑了剪切变形的影响的Beam188单元来模拟梁、柱结构；用既具有弯曲能力，又有薄膜特性，可以承受面内荷载或法向荷载Shell63来模拟板。
4 结果整体分析
为了更好地研究地震作用下结构的动力反应，结合场地条件和特征周期，所选取的地震波应主要考虑不小于建筑结构基本自振周期3～4倍的加速度时间历程，不宜小于12s。根据模态分析的结果，结构基本周期约为2.34s，因此地震波持续时间按较大值可取12s，本文采用NORTHRIDGE波时程分析。
图1 各楼层位移图
为了研究x、y、z三个方向的地震反应，需要对三个方向分别输入地震波，图1给出了在这三个方向地震波作用下，位移随楼层而变化趋势图。从图中我们可以发现，x、y两个方向的位移变化规律基本相同，只是受两个方向刚度的影响，位移结果稍有不同，在结构设计时应注意加强y方向的刚度，以及构件的裂缝和承载能力。并且位移图中也反应出4-5层之间的位移变化具有突变，这主要是这两层刚度有突变。且在裙楼顶设置了屋顶花园，结构质量发展变化，这点与事实相符；z方向的位移在结构17-18层之间突然减小，说明在结构的顶端楼层位移方向发生变化，z方向在整体刚度并不均衡，在结构设计时应重点关注梁柱的承载力以及构件之间的构造连接。X方向上最大位移为47.3mm是14747号节点发生在9.7s；Y方向上最大位移为77.4mm是14749号节点发生在8.8s；Z方向上最大位移31.4为14152号节点发生在0.02s，结构在NORTHRIDGE波作用下的最大底部反力为：Fx=-8752.9kN、Fy=-9074.5kN、Fz=297560kN。
根据抗震变形验算，在x、y方向的最大层间位移为6.33mm<11mm，符合规范要求；最大的位移角也没有超过1/800的限值。在设计时应适当考虑应刚度突变导致部分楼层竖向位移和位移角大于水平方向，并考虑x、y方向发生在刚度有突变的部位的层间最大剪力。
5 结论
我国的抗震规范是容许结构在抵抗强地震，结构某些构件发生不影响结构整体稳定的开裂或屈服，从而使得房屋震动周期加长，并且增加建筑物本身的阻尼，因而可以实现建筑物在抵抗强震而不破坏。强烈地震时，结构仍要进入弹塑性，从而引起结构构件的损伤与破坏。在设计时需考虑这类构件破坏是建筑物的整体稳定性。采用结构振动控制的方法去改善这类建筑结构的抗震设计是必要和可行的。通过反应谱分析，得到给出结构内各构件的内力、应力、位移分布，并找出了结构薄弱环节。
参考文献：
[1]张小云．建筑抗震（第一版）．北京：高等教育出版社，2003
[2]梁波．结构动力学．武汉：华中科技大学出版社，2001
[3]王亚勇．关于设计反应谱、时程法和能量方法的探讨．建筑结构学报．2000，21（1）：21-29
[4]徐植信，胡再龙．结构地震反应分析（第一版）．北京：高等教育出版社，1993
[5]王呼佳，陈洪军．ANSYS工程分析进阶实例．北京：中国水利水电出版社，2006
[6]袁波，郭子雄．基于位移的抗震性能评估方法评述．工业建筑．2004，34（9）：66-70
简介：蒋泽佳（1981-1），男，四川资阳，职称：助理工程师，学历：大专，主要研究方向：建筑工程结构。