某天气雷达站塔楼结构时程分析
某高层框架结构在地震作用下的时程分析
某高层框架结构在地震作用下的时程分析
尹新生;巴盼锋;邱瑞;蔡婧娓;务实
【期刊名称】《吉林建筑工程学院学报》
【年(卷),期】2011(028)002
【摘要】通过对一实际工程中的高层框架结构进行有限元建模,并施加地震载荷作用.结合框架结构的地震响应,分别就顶层角点的X,Y,Z方向的位移及扭转角的时程响应进行分析,发现刚度因素是影响响应的决定因素.结合最大地震响应时的等效应力云图,验证了建筑规范的要求,更进一步说明有限元分析的必要性.
【总页数】3页(P10-12)
【作者】尹新生;巴盼锋;邱瑞;蔡婧娓;务实
【作者单位】吉林建筑工程学院寒地绿色建筑研究中心,长春130118;吉林建筑工程学院寒地绿色建筑研究中心,长春130118;东北电力设计研究院,长春130021;吉林建筑工程学院寒地绿色建筑研究中心,长春130118;东北电力设计研究院,长春130021
【正文语种】中文
【中图分类】TU313
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超高层建筑结构与弹塑性动力时程分析法
超高层建筑结构与弹塑性动力时程分析法一、前言随着经济的不断发展，城市内部的建筑物高度不断被刷新，各种高层建筑以及超高层建筑被不断的建设，对于这类建筑结构不能进行简单的叠加计算，需要依靠具有科学性的计算方法进行分析。
现如今常用的分析法是弹塑性动力时程分析法，这种分析法具有较高的精确度和准确度，可以对建筑结构进行定性分析，同时可以更好地反应地震对建筑物的影响。
二、工程概况某大型建筑地下2 层，地上33层，总建筑面积约为30 万m。
本工程±0.00 以下由裙房连为整体，±0.00 以上依据层数、高度、结构体系的不同共分为3 个单体，A 座，D 座与商业裙房构成大底盘单塔结构， B 座，C 座与商业裙房构成大底盘双塔结构。
本文论述仅针对B 座，C 座。
建筑结构设计使用年限：50 年；建筑结构安全等级：二级，对应结构重要性系数为1.0；抗震设防类别：根据规范GB50223—2008，本工程商业部分属人流密集的大型多层商场，抗震设防类别为重点设防类（乙）类建筑，写字楼部分抗震设防类别为标准设防类（丙）类建筑；抗震设防烈度为8 度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.20g；建筑场地类别：Ⅲ类；场地特征周期：0.45。
三、弹塑性动力、静力分析力学模型1.层模型它是把结构按层静力等效成质量弹簧串，然后再进行弹塑性动力反应分析。
层模型只能通过时程分析找到薄弱层，不能找到具体的薄弱杆件。
层模型动力时程分析计算由两部分组成，前一部分是层静力特性计算，这部分实际上就是一个小型的计算程序，采用增量法和能量法相结合，逐层计算结构的层间全曲线，并拟合成恢复力骨架曲线，并用三个点来简化描述该骨架曲线，即三线型骨架曲线，以此作为层刚度变化的控制点；后一部分是动力时程响应计算，基于集中质量、串联弹簧模型描述的层模型，采用Wilson—θ法计算结構的动力响应。
2.平面模型平面模型针对的是结构的一个局部——“榀”，对一榀框架进行时程分析，直接找出薄弱的杆件。
某高层框架结构在地震作用下的时程分析
最大 地 震 响应 时 的等 效 应力 云 图 ， 证 了建 筑 规 范 的要 求 ， 进 一 步说 明有 限元 分 析 的必 要 性． 验 更 关键 词 ：有 限 元 ； 时程 响应 ； 效 应 力云 图 等 中图 分 类号 ：Ｕ３ ３ Ｔ １ 文 献 标 志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ９— １５ ２ １ ）２— ０ ０— ３ １０ ０ ８ （０ １０ ０ １ ０
Ｋｅ ｙｗｏ ｄ ： ｎ ｔ ｌｍｅ ； ｉ ・ｈ ｓｏ ｙ ｒ ｓ ｏ ｓ ； ｑ ｉａｅ ｔｓｒ ｓ ｏ ｔ ｕ ｒ ｓ ｆ ｉｅ ｅｅ ｎｔ ｔ ｉ ｍｅ — ｉｔｒ ｅ ｐ ｎ ｅ ｅ ｕ ｖ ｌｎ ｔｅ ｓｃ ｎ ｏ ｒ
０ 引言
随着 城市规模越 来越大 ， 空间问题 已成 为制约城市发 展 的主要 问题 ． 在有 限 的空 间资源 范 围 内 ， 高层建
， ｏ ｒ ｎＢ ｉ ｉ ｅ ａｃ ｅｔ Ｊ ｉ Ｉ ｔｕ ｒ ｉｃ ｒ ａ ｄＣｖ ｎｉ ｅ ｎ，Ｃ ａｇｈ ｎ Ｃ ｉ １０ １； １ Ｃｌ Ｇｅ ｕｌ ｎ Ｒ ｓ ｒｈＣ ｎ ￣ ｉｎ ｎ ｉ ｔ ｏ ｃ ｔ ｔ ｅ ｎ ｉｌ ｇｎ ｒ ｇ ｈｎｃｕ ， ｈ ａ ３ １８ ｄ ｅ ｄｇ ｅ ｅ ｌ ｓｔ ｅｆＡ ｈ ｅ ｕ ｉＥ ｅｉ ｎ ２ Ｎ ｒ ｅｓ ＥｅｔｃＰｗ ｒ ｅ ｏ ｈａｔ ｌ ｒ ｏ ｅ Ｄ５ Ｉｓｔ ｅ ｈｎ ｃｕ， ｈｎ １ｏ ２） ｔ ｃｉ ｎｔｕ ，Ｃ ａｇｈ ｎ Ｃ ｉ ｉｔ ａ ３ｏ１
第２ ８卷
第 ２期
吉
林
建
筑
工
程
学
院
学
某超高层建筑结构弹塑性动力时程分析
某超高层建筑结构弹塑性动力时程分析
张琳;李晶
【期刊名称】《广东土木与建筑》
【年(卷),期】2010(000)012
【摘要】某工程是存在多项基本不规则项的复杂超高层建筑,文中采用弹塑性动力时程分析法,分析结构在罕遏地震作用下的变形特征、构件内力及剪力墙、连梁、框架柱及框架梁损伤等非线性动力响应;研究结构在罕遇地震作用下的整体抗震性能,找出薄弱部位和构件,为施工图设计中采取有针对性的加强措施来实现＂大震不倒＂的设防目标提供设计依据。
【总页数】3页(P11-13)
【作者】张琳;李晶
【作者单位】深圳市华阳国际工程设计有限公司,深圳518400
【正文语种】中文
【中图分类】TU973
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工程结构抗震分析--时程分析法
M tt Ctt Ktt Ftt
(34)
将 (32)、(33)式代入(34)式，得
K F tt tt
t t
式中
求解结构的动力响应有两种基本方法：振型叠加法和直接 积分法。前者用于解线性结构的动力响应；后者既可用于解线 性结构也可在增量法中用于解非线性结构的动力响应。
结构动力响应分析-振型叠加法
1. 基本思想
振型叠加法又称振型分解法。其基本思想是通过坐标变换，
将一个多自由度体系的 n 个耦合运动方程，分解为 n 个非耦合运 动方程，问题的解为 n 个非耦合运动方程解的线性组合。
结构动力响应分析-振型叠加法
应该指出．结构对于大多数类型荷载的响应，一般低 阶振型起的作用大，高阶振型的作用趋小；且有限元法对 于低阶特征解近似性好，高阶则较差，因而．在满足一定 精度的条件下，可舍去一些高振型的影响。例如工程结构 的地震响应仅要求考虑前十阶或十几阶低阶振型即可。
结构动力响应分析-直接积分法
直接积分的方法很多，各种方法在数学上的收敛性和稳定
性不同．计算精度也不同。本章仅介绍工程中常用的线性加速 度法、Wilson-θ 法，Newmark 法。
结构动力响应分析-直接积分法
(一)线性加速度法 该法假定在时间间隔 t 内，加速度呈线性变化(如图 5 示)
Mi
(0)
(i 1, 2, n)
yi
(0)
iT
M
Mi
(0)
(i 1, 2,
n)
(31)
这样，就得一组 n 个自由度的联立方程(25)，分解为 n 个独立的
单自由度运动方程(31)。解出每个振型坐标 yi 的响应，然后按(26)式
高层建筑地震时程分析
时程分析概述高层结构的有限元网格模型如下所示，网格总数为25596，节点总数为32793。
其中梁单元采用Beam188单元类型，壳单元采用shell181单元类型。
时程分析计算在Ansys中完成。
时程分析过程中约束高层建筑的底部，模拟地基约束，不考虑土壤弹性等因素。
所以计算过程中均考虑了重力加速度，取值为9.8m/s^2。
图4-2 有限元网格模型材料部分，模型中的框架柱、外环梁、内框架柱梁、次梁等梁结构均采用C40混凝土，两边的对称剪力墙采用C30混凝土，中间部分采用C40混凝土，均假设为线弹性，不考虑混凝土的塑性行为，材料的参数如下表所示。
表1 材料参数表弹性模量（Pa) 泊松比密度(kg/m^3) C40 3.25E+10 0.2 2700.0C30 3.00E+10 0.2 2700.0三种地震波的计算结果如下所示Elcentro波计算结果一、最大位移反应对于该地震波共进行四次分析，分别是X向地震波输入、Y向地震波输入、Z向地震波输入、三向地震波输入。
四种情况时候，均考虑了重力加速度。
四种情况下高层建筑每层的最大合位移如下图所示。
图4-3 不同楼层的位移变化情况从图4-3可见，随着楼层增高，不论是何种加载方式，最大位移均呈增大趋势。
其中三向加载和Y向加载的位移变化情况基本接近，由分析可以，三向加载的最大位移并不等于X、Y、Z分向加载最大位移的和，但是整体要大于任意一方向的加载情况。
是因为载荷是矢量载荷，所以和位移不能简单的相加。
三个分方向加载情况中，Y向加载下的位移最大，其次为X方向，Z向为竖直方向，其位移随着楼层增加，每层的最大位移略有增加但是趋势平缓，与其他两个方向相比，此时Z向的位移可以认为基本不变。
由此也可见，对于高层建筑结构，在三向地震波中，最危险的为水平方向，因为地震也主要是剪力破坏。
在竖直方向破坏很小。
其中在水平方向，Y方向的位移响应要比X方向大，因为Y方向为高层建筑的短向，X方向为高层建筑的长向，模型中的Shell单元可以看作是混凝土剪力墙，短向的整体刚度要小于长向。
时程分析与频域分析
时程分析与频域分析转自："时程分析法"是由结构基本运动方程输入地震加速度记录进行积分，求得整个时间历程内结构地震作用效应的一种结构动力计算方法，也为国际通用的动力分析方法。
"时程分析法"常作为计算高层或超高层的一种(补充计算)方法，也就是说满足了规范要求的时候是可以不用它计算结构的。
规范规定：对于特别不规则的建筑、甲类建筑及超过一定高度的高层建筑，宜采用时程分析法进行补充计算。
所以有较多设计人员对应用时程分析法进行抗震设计感到生疏。
近年来,随着高层建筑和复杂结构的发展,时程分析在工程中的应用也越来越广泛了。
它也用于某些特种结构(如烟囱、大坝等)的抗震动力计算。
频域分析法，频域分析法主要是通过离散快速傅里叶变换，将时域的脉搏波曲线变换到频域，得到相应的脉搏频谱曲线，通过频谱曲线的特征分析，从中提取与人体生理病理相应的信息，实现脉象分类。
频域分折包括功率谱分析和倒谱分析。
陕西师范大学科研人员运用倒谱理论讨论了正常心律和非正常心律受检者的脉搏信号在倒谱域中的特征表现，并通过对286例脉搏信号的倒谱分析，发现代脉信号与其他正常心律脉搏信号的倒谱特征差别显著。
频域分析来自EEWiki.跳转到：导航,搜索通过求解微分方程分析时域性能是十分有用的，但对于比较复杂的系统这种办法就比较麻烦。
因为微分方程的求解计算工作量将随着微分方程阶数的增加而增大。
另外，当方程已经求解而系统的响应不能满足技术要求时，也不容易确定应该如何调整系统来获得预期结果。
从工程角度来看，希望找出一种方法，使之不必求解微分方程就可以预示出系统的性能。
同时，又能指出如何调整系统性能技术指标。
频域分析法具有上述特点,是研究控制系统的一种经典方法,是在频域内应用图解分析法评价系统性能的一种工程方法。
该方法是以输入信号的频率为变量，对系统的性能在频率域内进行研究的一种方法。
频率特性可以由微分方程或传递函数求得,还可以用实验方法测定.频域分析法不必直接求解系统的微分方程,而是间接地揭示系统的时域性能,它能方便的显示出系统参数对系统性能的影响,并可以进一步指明如何设计校正.这种分析法有利于系统设计，能够估计到影响系统性能的频率范围。
多塔大底盘高层结构抗震时程分析
多塔大底盘高层结构抗震时程分析刘铭【摘要】近年来高层建筑得到飞速发展,建筑功能的练合化、复杂化使得结构形式越来越复杂,多塔大底盘结构是目前较为常用的结构形式.该文进行了地震作用下多塔结构动态响应的时程分析,结果表明:结构加速度响应滞后原始地震波;多塔大底盘结构分界处上下两层应进行加强设计.【期刊名称】《湘潭大学自然科学学报》【年(卷),期】2015(037)001【总页数】4页(P43-46)【关键词】多塔;大底盘;抗震;时程分析【作者】刘铭【作者单位】内蒙古大学交通学院道路工程系,内蒙古呼和浩特010070;呼和浩特职业学院建筑工程学院,内蒙古呼和浩特010070【正文语种】中文【中图分类】TU312高层建筑可以充分利用空间资源有效地节约土地，近年来已经得到了空前的发展.高层建筑的体型及平面布置越来越复杂，建筑的功能趋于综合化.一些城市的高层建筑已经成为该地区标志性的建筑物，如上海中心、环球金融中心、金茂大厦等.随着结构形式的复杂化，结构的动态响应势必也趋于复杂，而高层建筑关乎人们的人身安全及财产安全，对高层建筑进行动态响应研究是有必要的.下部商场、上部住宅的多塔大底盘结构是近年来一种较为常见的高层结构形式，对其研究还在逐步成熟.中国建筑科学研究院给出了高层建筑混凝土结构的技术规程，指出下部商场、上部写字楼或住宅，形成上部结构刚度相对于底部结构降低很多，导致收进部位容易形成薄弱部位，一旦遭遇地震结构极易在薄弱部位损坏[1].林宝新对合肥CBD 中央广场的不对称五塔结构进行了整体分析，论证了五栋高层塔楼通过大底盘相连是切实可行安全可靠的[2].徐亚斌等人对某大底盘六塔商住楼的结构设计进行了分析研究，由于工程所处位置的特殊性(坡地建筑)，论文论证了在进行类似工程设计时应采取可靠措施防止后浇带封闭之前结构在土侧压力作用下发生的倾斜和沉降[3].地震作用下多塔高层结构的响应目前还处于完善阶段，本文研究的重点为地震作用下多塔结构动态响应，首先采用PKPM进行了多塔大底盘结构在8度区(0.2g)场地类别Ⅱ类的结构的初步设计，验证结构布置的合理性，进而运用SAP2000对初步设计进行验证并相应调整，然后进行地震作用下的弹性及弹塑性时程分析.时程分析法为20世纪80年代发展的一种抗震分析方法，主要用于超高层建筑、复杂结构的抗震分析、研究等.随着经济的快速发展，高层、超高层建筑及复杂建筑越来越多，时程分析在结构设计中的应用越来越广泛.这种分析方法是我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[4]中作为结构补充分析的一种.1.1 时程分析基本原理时程分析法将地震作用时间划分为N个时间段，求出每个时间段内各个质点的位移、速度以及加速度值，从而可以得到构件位移、内力曲线.多质点体系弹性状态下动力响应方程可以表示为：，其中：[M]表示结构质点的质量矩阵；[C]表示质点的阻尼矩阵；[K]表示整体结构的刚度矩阵；表示质点的加速度；表示质点的速度；表示质点的位移.随着荷载的增大，结构逐渐进入弹塑性变性阶段，结构的动力响应方程表示为：多质点体系处于弹性阶段时，[K]保持不变，[K]与时间无关.弹性阶段通过将强震记录下的一个方向的水平分量划分为非常小的时段Δt，然后对此阶段的式(1)进行直接积分，这样可求得各时间段内多质点体系的位移、速度及加速度，最后可求出结构的内力大小.由于荷载的增大，结构进入弹塑性阶段，构件的刚度[K]发生变化，此时[K]与时间存在关系，所以式(2)是一个非常系数微分方程，此种状态下方程无解.所以当结构处于弹塑性阶段时，对公式(2)进行计算时进行一定的假设.当前求解式(2)的方法包含线性加速度法、wilson-θ法及Newmark-β法.例如线性增量法，假定刚度矩阵[K]在很短时段Δt内保持不变，这也就是说通过此假定，在Δt内[K]是一个常数，那么就可以用弹性方法来计算，求得结构在Δt内的反应增量，然后再求出结构新的[K]，如此循环操作以上步骤，便可以求得结构在整个地震反应的响应状况.所以计算弹塑性状态下结构内力时Δt的取值应注意，当Δt取值恰当，所求得的计算结果还是令人满意的.将Δt扩展到θΔt，用线性加速度法求出对应的θΔt结果，然后采用线性内插法得到对应Δt的计算结果，此方法称为wilson-θ法.对线性加速度方法进行改进，引入参数，利用参数来控制积分的稳定性，这种方法称为Newmark-β法.1.2 时程分析法优势时程分析法与振型分解反应谱法有较大的差别，反应谱分析法本质上是一种拟动力分析法，并不能真实地反映结构在地震作用下的响应.反应谱法只是一种对最大地震作用估算的方法，而时程分析法能真实地反映结构的动力响应.时程分析法的优势可以归纳为以下几点：(1)时程分析可减少抗震分析时的误差，对于一些对计算精度要求较高的结构，应采用时程分析法保证工程抗震计算的精确度.(2)时程分析可以校核检验采用反应谱法的计算结果，找出反应谱法存在的不足，为结构进行非弹性地震作用分析、罕遇地震作用下结构的变形验算、找出结构的薄弱层等提供合理的数据支持.借助PKPM软件设计了一栋四塔大底盘结构，四塔为对称布置，底部五层商业，层高4.5 m，上部住宅15层，层高3.3 m，建筑总高度72 m，塔楼的高度都相同.本文旨在研究多塔在地震作用下的响应，所以对整体结构设计进行了简化，不考虑楼板的应力状态，轴网8 m×8 m，柱子尺寸和梁尺寸如表1.运用SAP2000进行建模，对结构楼板进行了刚性楼板的假定，结构整体模型如图1所示.结构的振型、频率和周期是结构的固有特性，反应结构动力学特性的重要参数.通过SAP2000分析结构模态，获得结构前3阶振型、自振周期和自振频率.图2给出了结构的前3阶振型.表2给出了结构前3阶振型的周期和频率.结构前3阶模态分别对应x方向整体平动、y方向整体平动和整体的扭转，满足我国规范一般规定.我国《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)[5]给出了计算钢筋混凝土结构的计算公式：n表示建筑总层数.则利用公式(3)计算出建筑的周期T1=1 ～2 s，理论计算周期与模拟周期进行对比，结构是合理的，可以进行下一步工作.地震波选取时主要考虑地震动强度、频谱特性与地震动持时这三个要素.通常情况下，采用调整加速度峰值的方法来输入地震波的加速度曲线，使加速度峰值与拟建场地的地震波加速度的峰值相符.其调整公式可表示成：式中：a(t)为实际地震记录波的加速度曲线；Amax为实际地震记录波加速度峰值；a′(t)为调整后的地震加速度曲线；为调整后的地震记录波加速度峰值.根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[4]，列出各地震烈度时地震加速度最大值，详见表3.由表3看出，8度多遇小于7度罕遇，去掉8度多遇.9度多遇小于7度罕遇，因此去掉9度多遇.选取SAP2000中场地类别为Ⅱ类的El-Centro波，将地震作用下的地震波通过调整使其对应相应设防烈度下的地震加速度.3.1 加速度响应分析随着楼层高度的增加，加速度响应是逐渐提高的.选取四栋塔楼的顶部角点作为参考点(说明：El7D表示El-Centro波转化为7度多遇峰值加速度时记录的数据,El7H表示El-Centro波转化为7度罕遇峰值加速度时记录的数据,其他类似). El-Centro波原始最大加速度发生在0.8 s，而其响应加速度最大值发生在2.5 s，结构加速度响应滞后原始地震波；多遇地震下动力放大系数β约为2.62，罕遇地震下动力放大系数β远大于多遇地震，在此不列出.此结构对地震的响应剧烈，对加速度较为明显，结构抗侧刚度偏大，柱子内部配筋较为保守.3.2 层间位移层间位移、层间位移角反映结构是否具有必要的抗侧刚度，通过层间位移角可以判定结构处于弹性工作阶段还是弹塑性工作阶段.多塔大底盘结构存在一个层间位移突变，就是在下部大底盘与上部结构分界处.本算例的薄弱层为首层、五层和六层(说明：为方便表示首层用1F表示，五层用5F表示，6层用6F表示)，则结构的层间位移时程曲线如图4所示.建筑层高4.5 m和3.3 m，由图4层间位移时程曲线可知最大层间位移角:1/5 500、1/825、1/412.在7度多遇和7度罕遇地震建筑处于弹性阶段，在8度罕遇地震作用下结构进入弹塑性阶段.3.3 基底剪力-层间位移基底剪力-层间位移曲线可以表征整体结构地震时的耗能性能，列出8度罕遇地震作用下整体结构的基底剪力-层间位移曲线，如图5所示.由结构的基底剪力-层间位移曲线可以了解到：结构六层在8度罕遇地震作用下滞回环面积较首层和五层较大，表明在此状态下大底盘结构上下部分界两层是地震作用下可能破坏最为严重的区域，应引起注意.针对目前应用较多的多塔大底盘结构，选取一种四塔大底盘结构进行了地震作用下的时程分析，结果表明：多塔结构顶部加速度响应滞后于输入的地震波；结构分界位置上下两层在地震作用下是主要的耗能层，进行设计和施工时都应引起重视.【相关文献】[1] 中国建筑科学研究院.高层建筑混凝土结构技术规程[M].北京：中国建筑工业出版社，2010,10:309-311．[2] 林宝新．合肥CBD 中央广场的整体分析[J]．建筑结构，2004，34(8)：11-15．[3] 徐亚斌，贾立超．某大底盘六塔商住楼的结构设计[J]．建筑结构，2014，44(3)：40-50．[4] GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S]．[5] GB 50009-2012建筑结构荷载规范[S]．。