山西大劇院消能減震結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

侯志豪 李 九

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030013)

0 引言

山西大劇院建筑總面積約7．3萬m2，主體建筑高約57 m，長約210 m。大劇院6．40 m平臺(tái)下1層，局部2層，6．40 m平臺(tái)上主體6層，局部10層。平臺(tái)下層高6．40 m，平臺(tái)上各層層高5．00 m。建筑主要功能為劇場、音樂廳、展覽大廳、屋頂觀景平臺(tái)等。大劇院造型新穎現(xiàn)代，創(chuàng)意體現(xiàn)“山西之門”立意，是太原市長風(fēng)商務(wù)島的標(biāo)志性建筑。

整體結(jié)構(gòu)的示意圖見圖1。

圖1 山西大劇院效果圖

1 結(jié)構(gòu)體系

1．1 樓面結(jié)構(gòu)體系

塔樓主要樓層采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，大跨度處另設(shè)樓面鋼筋混凝土次梁支承，主要樓層樓板厚度為200 mm;連接體鋼桁架頂采用壓型鋼板作底模的組合樓蓋體系;塔樓屋頂層采用輕鋼結(jié)構(gòu)屋面。16．4 m平臺(tái)以下部分樓蓋采用現(xiàn)澆空心樓蓋體系。

1．2 立面結(jié)構(gòu)

山西大劇院結(jié)構(gòu)有限元分析模型三維視圖見圖2。

圖2 山西大劇院結(jié)構(gòu)模型

1．3 消能器的結(jié)構(gòu)

整個(gè)計(jì)算模型總共安裝了168個(gè)阻尼器，其中X向84個(gè)，Y向84個(gè)。阻尼器與結(jié)構(gòu)通過支撐進(jìn)行水平連接(見圖3)。

2 消能減震結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)對(duì)比

2．1計(jì)算模型

首先，對(duì)連接體連接方式考慮過強(qiáng)連接和弱連接兩種方式后確定采用強(qiáng)連接方式。確定強(qiáng)連接方式后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析共采用兩個(gè)模型進(jìn)行分析:采用常規(guī)抗側(cè)力體系的結(jié)構(gòu)模型(以下簡稱原模型)和經(jīng)過多個(gè)結(jié)構(gòu)布置方案比選后確定的消能減震模型的空間模型。其中消能減震模型選用北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司的MIDAS/Gen Ver．730軟件進(jìn)行整體計(jì)算分析及設(shè)計(jì)，用美國CSI公司的SAP2000(中文版V12)軟件作為對(duì)比分析。

圖3 消能器的構(gòu)造方式

與原結(jié)構(gòu)相比消能減震計(jì)算模型的主要調(diào)整有3點(diǎn):1)去掉部分混凝土剪力墻;2)設(shè)置阻尼器;3)對(duì)原結(jié)構(gòu)的剪力墻布置進(jìn)行了局部調(diào)整，以減小結(jié)構(gòu)在水平地震作用的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。其他構(gòu)件(梁、柱、連體鋼桁架)的截面、材料以及恒活荷載取值均和原模型一致，剪力墻采用殼單元，梁柱構(gòu)件采用空間桿單元。分析模型考慮了標(biāo)高6．4 m大平臺(tái)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的嵌固作用。

2．2 消能減震結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)比

原結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為125 292．8 kN/g，消能減震結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為121 175．8 kN/g，與原結(jié)構(gòu)質(zhì)量相比，消能減震結(jié)構(gòu)(MIDAS結(jié)果)的總質(zhì)量減小3．29%，主要原因是消能減震結(jié)構(gòu)刪除了部分剪力墻導(dǎo)致的質(zhì)量改變。

2．3 周期和振型

2．3．1 原結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

原結(jié)構(gòu)模態(tài)分析中，原結(jié)構(gòu)第一振型為以塔A為軸的扭轉(zhuǎn)振型，第二振型為沿X向的平動(dòng)，第三振型為以塔A和塔B之間某一位置為軸的扭轉(zhuǎn)振型。前三階模態(tài)的自振周期分別為:0．49 s，0．45 s和0．42 s。根據(jù)抗震規(guī)范，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類的特征周期為0．45 s，因此原結(jié)構(gòu)前三階振型的振動(dòng)周期與特征周期比較接近，在地震作用下易引起結(jié)構(gòu)的共振反應(yīng)，同時(shí)第一振型為扭轉(zhuǎn)振型，在水平地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)大，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的不利影響比較嚴(yán)重。

2．3．2 消能減震結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

消能減震結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，結(jié)果表明，消能減震結(jié)構(gòu)第一振型為X向平動(dòng)，第二振型為Y向平動(dòng)，第三振型為扭轉(zhuǎn)，說明與原結(jié)構(gòu)相比，消能減震結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)有比較大的改善。消能減震結(jié)構(gòu)的前三階周期分別為 0．53 s，0．52 s和 0．47 s，均大于特征周期0．45 s，其中以扭轉(zhuǎn)為主的第一周期與以平動(dòng)為主的第一周期之比為0．88，接近復(fù)雜高層建筑周期比0．85的限值要求。

3 消能減震結(jié)構(gòu)層間位移比和剛度比

3．1 消能減震結(jié)構(gòu)層間位移比

由于篇幅有限，給出了消能減震結(jié)構(gòu)的層間位移比，X向地震作用下，結(jié)構(gòu)的最大層間位移比為1．14，Y向地震作用下，結(jié)構(gòu)的最大層間位移比除14層為1．25外，其他樓層最大值為1．17，X和Y方向的層間位移比均小于1．40。

3．2 消能減震結(jié)構(gòu)樓層剛度比

由表1，表2可知塔A和塔B的消能減震結(jié)構(gòu)X向的樓層剛度比(由于篇幅有限，本文只給出塔A側(cè)X向?qū)觿偠群退﨎側(cè)X向?qū)觿偠?。

表1 塔A側(cè)X向?qū)觿偠?/p>

表2 塔B側(cè)X向?qū)觿偠?/p>

由于結(jié)構(gòu)塔A和塔B的連體部分的側(cè)向剛度很大，對(duì)塔A和塔B的中間樓層(5F～10F)而言，本層側(cè)向剛度要小于上3層側(cè)向剛度平均值的80%，本報(bào)告僅給出本層側(cè)向剛度與相鄰上層側(cè)向剛度70%的比值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，塔A的7層和塔B的8層的剛度小于上一層剛度的70%，塔A和塔B的其他樓層抗側(cè)剛度均大于上一層剛度的70%，考慮結(jié)構(gòu)連體部分剛度突變帶來的不利影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需按照抗震規(guī)范規(guī)定增大塔A和塔B中間樓層的地震剪力。

4 結(jié)語

1)原結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較大，前三階振動(dòng)周期與場地特征周期接近，在地震作用下易引起結(jié)構(gòu)的共振反應(yīng)，同時(shí)第一振型為扭轉(zhuǎn)振型，因此在水平地震作用下，導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)大，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯。

2)消能減震結(jié)構(gòu)的前三階振動(dòng)周期均大于特征周期，第一振型為X向平動(dòng)，第二振型為Y向平動(dòng)，第三振型為扭轉(zhuǎn)，與原結(jié)構(gòu)相比，消能減震結(jié)構(gòu)在很大程度上改善了原結(jié)構(gòu)的平面不規(guī)則性，振動(dòng)形態(tài)有比較大的改善。