超高层钢结构建筑动力特性与抗震性能的有限元分析

３５０×７００ － ３８～２２
３８－ ４７ ９００×９００ ６００×８００～６００ ３５０×６００
层 － ２８～２２
－ ３８～２２
－ ２２～２０
４８－ ５２ ８００×８００
层
－ ２２
６００×６００ － ２０
ห้องสมุดไป่ตู้
３５０×５００ － １８
５３－ ５７ ７００×７００
层
－ ２２
５００×５００ － １８
３５０×５００ － １８
３００×３００× １４×２２
６００×３５０ ×１２×２２
３００×３００× １２×２０
５８ 层 ６００×６００ ５００×５００ ３５０×４００ ６００×３５０
以上
－ ２０
－ １６
－ １６
×１４×２２
注： １． 钢材采用 Ｑ３４５Ｂ； ２． 墙体混凝土强度等级为 Ｃ６０； ３． 柱子根据位置不同， 混凝土强度等级为 Ｃ４０－ Ｃ７０。
摘要： 武汉国际证券大厦共 ６８ 层， 总高度为 ３３１．３ｍ， 结构底部为钢筋混凝土筒中筒结构过渡到上部框架 － 支撑
钢结构， 并沿高度方向设置 ３ 道水平加强层， 整体结构形式复杂， 纵向刚度变化大， 对抗震要求较高。抗震规范
要求， 对于此类复杂结构的抗震分析， 应采用不少于两个的不同的力学模型， 故利用大型有限元计算软件
抗震设防烈度： ７ 度。建筑抗震设防类别： 丙类。 结构安全等级一级。Ⅱ类场地； 场地土类型： 中软场 地土。计算假定如下：
（ １） 材料模型取理想弹塑性模型； （ ２） 考虑到地下室为箱型结构， 刚度大， 地基的 嵌固作用也较强， 所以视基础底面和三层地下室的周 边为完全嵌固； （ ３） 钢管混凝土和钢骨混凝土按照刚度等效原则 进行折算； （ ４） 加强层上下楼面按弹性楼板、薄壳单元来考 虑， 其他简化为平面内无限刚性［４］。 １．３ 计算软件 目前国内结构计算软件主要分为专业软件和通用 软件两大类， 用 ＴＡＴ 等专业软件对竖向刚度分布均匀 的结构计算结果良好 ［５］， 但是本结构复杂， 专业软件 的计算假设多， 有一定误差。通用软件 ＡＮＳＹＳ 是世 界上颇有影响的大型通用有限元分析软件， 可完成大 型复杂结构的静力分析、模态分析、瞬态动力分析和 谱分析等。
第 ３９ 卷第 ５ 期 ２００６年５月
土木工程学报 ＣＨＩＮＡ ＣＩＶＩＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＪＯＵＲＮＡＬ
Ｖｏｌ ． ３９ Ｎｏ． ５ Ｍａｙ． ２００６
超高层钢结构建筑动力特性与抗震性能的有限元分析
王元清 １ 黄 怡 １ 石永久 １ 陈 宏 ２ 温四清 ３
（ １．清华大学， 北京 １０００８４； ２．清华大学建筑设计研究院， 北京 １０００８４； ３．中信集团武汉建筑设计院， 湖北武汉 ４３００１４）
建筑的 １～４０ 层为办公楼 （ 首层层 高为 １０．８ ｍ， 标准层高 ３．６ ｍ） ， ４１～６７ 层为酒店 （ 标准层高 ３．２ ｍ） ， ６８ 层为观光层。在 ２５、４３、６５ 层设有水平加强层。
结构存在两个过渡区域， 分别是底部钢筋混凝土 层与上部钢框架层之间的过渡区域， 下部办公楼与上
部酒店之间的过渡区域。这两个过渡区域与结构的三 道加强层所在的位置， 结构侧向刚度存在突变， 对结 构的抗震性能影响较大， 需要重视［１］。 １．２ 设计参数
Ｗａｎｇ Ｙｕａｎｑｉｎｇ１ Ｈｕａｎｇ Ｙｉ１ Ｓｈｉ Ｙｏｎｇｊｉｕ１ Ｃｈｅｎ Ｈｏｎｇ２ Ｗｅｎ Ｓｉｑｉｎｇ３ （ １．Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４， Ｃｈｉｎａ； ２． Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｓｉｎｇｈｕａ
结构构件种类繁多， 在此仅列举其中部分有代表 性的梁柱尺寸， 见表 １。其中的箱形柱 Ｚ－ １， Ｚ－ ２， Ｚ－ ３ 的位置示意见图 １。荷载参数见参考文献 ［ ２－ ３］ 。
表 １ 构件截面尺寸
Ｔａｂｌｅ １ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｍｍ
楼层
Ｚ－ １
Ｚ－ ２
Ｚ－ ３
主梁
支撑
１－ ９ １５００×１５００ 剪力墙
剪力墙
混凝
－
层
混凝土
厚 ９００
厚 ８００
土梁
１０－ ２９ １２００×１２００ ６００×１２００
层 － ４６～３０
－ ４２～３８
３５０×７００ ６００×２８０ － ４４～３２ ×１２×２０
３０－ ３７ １１００×１１００ ６００×１０００
层
－ ３０
－ ３６～３２
１ 工程概况
武汉国际证券大厦是武汉香利房地产开发公司 投资开发的超高层钢结构综合建筑， 为武汉第一高 楼， 是华中地区首家钢结构大楼， 也是武汉的标志 性建筑。
结构主体高度为 ２８１．３ ｍ， 建筑顶部设置 ５０ ｍ 高 的通讯 天 线 ， 建 筑 最 大 高 度 为 ３３１．３ ｍ。 结 构 地 下 ３
表 ２ 结构前 ３０ 阶自振周期
时 候 ， 需 要 的 振 型 分 别 为 １７ 阶（ Ｘ） ， ８ 阶（ Ｙ） ， １６ 阶
Ｔａｂｌｅ ２ Ｎａｔｕｒ ａｌ ｐｅｒ ｉｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒ ｕｃｔｕｒ ｅ
（ Ｚ） 。 同 时 ， 考 虑 到 取 过 多 振 型 对 计 算 结 果 影 响 小 ，
方法和结论对于运用有限元软件计算超高层建筑有借鉴价值。
关键词： 超高层钢结构； 反应谱分析； 时程分析； 有限元； 抗震
中图分类号： ＴＵ３９１
文献标识码： Ａ
文章编号： １０００－１３１Ｘ （ ２００６） ０５－００６５－０７
Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒ ａｃｔｅｒ ｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒ ｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｓｕｐｅｒ ｈｉｇｈ－ｒ ｉｓｅ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒ ｕｃｔｕｒ ｅｓ
第 ３９ 卷 第 ５ 期
王 元 清 等·超 高 层 钢 结 构 建 筑 动 力 特 性 与 抗 震 性 能 的 有 限 元 分 析
·６７·
２ 结构动力特性分析
用 ＳＡＴＷＥ 计算得到， 结构的计算周期为 ７．０２ ｓ， 两者相差 １４％ ， 基本在误差允许的范围内。
２．１ 模态分析 ＡＮＳＹＳ 有 限 元 建 模 采 用 ｂｅａｍ４ 单 元 （ 梁 柱） 、
·６６·
土木工程学报
２００６ 年
图 １ 建筑平面图 Ｆｉｇ． １ Ｐｌａｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ
图 ２ 建筑剖面图 Ｆｉｇ． ２ Ｐｒ ｏｆｉｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ 果作了比较。
１．１ 工程特点 本工程原设计为 ４８ 层的钢筋混凝土筒中筒结构，
混凝土结构施工至第 ７ 层时， 按业主要求， 调整为 ６８ 层的框架－ 支撑钢结 构， 为满足高层钢结构设 计 原则， 对已经施工的混凝土结构进行过渡处理， ８ 层 到 １２ 层为过渡区域。１２ 层以上为钢结构部分， 采用 外框钢管混凝土柱， 内筒钢柱－ 中心支撑和偏心支撑 体系， 楼板为压型钢板组合楼盖。
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４， Ｃｈｉｎａ； ３． Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｗｕｈａｎ， Ｗｕｈａｎ４３００１４， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａ ｃｔ： Ｗｕｈａｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｃｕｒｉｔｉｅｓ Ｍａｎｓｉｏｎ ｉｓ ａ ｓｕｐｅｒ ｈｉｇｈ－ｒｉｓｅ ｓｔｅｅｌ ｂｒａｃｅｄ ｆｒａｍｅ ｗｉｔｈ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ－ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｓｔｏｒｉｅｓ． Ｔｈｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｖａｒｉｅｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｙ ａｌｏｎｇ ｉｔｓ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ， ｉｎｄｕｃｉｎｇ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｓｅｉｓｍｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｎｓｉｏｎ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ＡＮＳＹＳ． Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｓｍａｌｌ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ． Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｍｅｍｂｅｒ ｆｏｒｃｅｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｏｓｅ ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｆｒｏｍ ａ ｓｐｅｃｉａｌｉｚｅｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ＳＡＴＷＥ． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｏｒｉｅｓ ｗｉｔｈ ｓｕｄｄｅｎ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｓｈｏｗ ｌｅｓｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｇａｉｎｔ ｔｈｅ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ａｎｄ ｔｈｅｙ ｒｅｑｕｉｒｅ ｓｐｅｃｉａｌ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｉｎ ｄｅｓｉｇｎ． Ｕｎｄｅｒ ｍｕｌｔｉｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ， ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ． Ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｈａｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｃｏｎｆｏｒｍｓ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｃｏｄｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｓｕｐｅｒ ｈｉｇｈ－ｒｉｓｅ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｔｉｍｅ－ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ； ＦＥＡ； ｓｅｉｓｍｉｃ Ｅ－ｍａｉｌ： ｈｕａｎｇｙｉ９８ ＠ｍａｉｌｓ． ｔｓｉｎｇｈｕａ． ｅｄｕ． ｃｎ
ＡＮＳＹＳ， 对其进行了抗震性能分析。包括结构动力特性分析， 振型分解反应谱方法和时程分析方法分析常遇地震
作用下的结构的变 形和内力， 并将计算结果和专业软件 ＳＡＴＷＥ 的计算结果进行对比。计算可见建筑物刚度突变
的楼层为薄弱层， 需特别重视； 应注意多维地震作用下的结构整体性能分析。结构符合国家现行规范要求， 计算
２．２ 振型参与系数分析 计算得到模型在各个方向上的振型参与系数如图
４ 所示， 可以看到 Ｘ、Ｙ 方向上均是低阶振型起到控 制作用， Ｚ 方向上第 ９、１２、１６ 阶 振型起控制作 用 ， 计算时应注意。 ２．３ 振型数目的确定
振 型 个 数 一 般 取 振 型 参 与 质 量 （ 有 效 质 量） 达 到总质量的 ９０％ 所需要的振型数目， 这种 方 法 称 为 有效质量法。图 ５ 的横坐标为振型， 纵坐标为振型 参与质量 ／ 总质量， 可以得到当参与质量达到 ９０％ 的
ｓｈｅｌｌ４３ （ 楼 板） 和 ｍａｓｓ２１ （ 质 量 块） ， 模 型 规 模 ： ７１２９４ 个单元， ４８７４１ 个节点。
按照抗震规范［６］ ， 考虑重力荷载代表值， 即考虑 结构所有的恒 载和 ５０％ 的楼面活荷载 作 用 。 考 虑 非 结构构件的影响， 结构的自振周期需要乘以调整系 数， 参考文献 ［ ７－ ８］ ， 取调整系数 ０．７， 计算得到结 构的前 ３０ 阶的自振周期如表 ２。
作者简介： 王元清， 博士， 副教授 收稿日期： ２００５－０３－０２
层， 地上 ６８ 层， 高宽比为 ５．９。建筑面积 １２ 万平方 米， 建筑的主要平、剖面如图 １、图 ２ 所示。
抗震规范要求， 对于复杂结构的抗震分析， 应该 采用不少于两个不同的力学模型， 并对其计算结果进 行分析比较。ＳＡＴＷＥ 和 ＡＮＳＹＳ 是两种不同性质的结 构计算软件， 采用这两种软件建立的力学模型不同， 可满足规范要求。原设计单位采用 ＰＫＰＭＣＡＤ 工程部 编制的 ＳＡＴＷＥ 软件设计计算， 受设计单位委托， 清 华大学用大型有限元软件 ＡＮＳＹＳ 对该结构进行 相关 的验证计算和分析。以下是有限元计算关于结构的动 力特性以及抗震性能的分析， 并和 ＳＡＴＷＥ 的计算结