連體結構的抗震抗震性能分析與設計

金成

摘要：連接體是連體結構的關鍵部位，在地震作用下，它所承受的不僅有豎向荷載產(chǎn)生的力，而且還有協(xié)調2個塔樓振動變形而產(chǎn)生的拉、壓、彎、剪力，因此，對連接體的抗震性能分析也是研究連體結構抗震性能的一個重要的部分。本文對連體結構的抗震抗震性能與設計進行了分析探討。

關鍵詞：高層建筑；連體結構；彈性時程；靜力彈塑性

1.工程概況

本工程地下一層，局部核六級人防。地上主樓共兩座，分別為二十一層和十八層，主體結構高度為79.8米及69.0米。在十四～十六層設連廊辦公空間，因此形成了雙塔連體結構。工程鳥瞰圖及結構標準層平面布置圖如下圖。

自然條件和設計依據(jù)如下：

（1）建筑設防類別：丙類；建筑抗震設防烈度為7 度0.15g，

（2）設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，，設計特征周期為0.45s

（3）地面粗糙度為B 類，基本風壓按100 年一遇的風壓并考慮相鄰建筑的相互干擾增大系數(shù)[1]，取0.65kN/m2。

2. 結構方案

結合建筑布置，主體采用框架-剪力墻結構體系。為控制單塔的扭轉效應在各塔樓的四周布置雙向剪力墻；同時在樓梯、電梯間周圍布置剪力墻形成了抗扭剛度較大的內筒。為了盡量減小兩個塔樓的剛度差異，適當減小右側塔樓的材料強度及剪力墻厚度；從而減小由于兩個塔樓剛度差異過大而產(chǎn)生的扭轉。

連接體是連體結構中一個重要組成部分，其主要作用是在整個結構中協(xié)調2個塔樓的變形。由于各塔樓的剛度及質量不同，結構的振動特性和變形也不同，要協(xié)調兩塔的變形，連接體必然要受到很大的作用力；所以連接體與塔樓應該有非常可靠的連接。通常的連接形式有剛接、鉸接、彈性連接。本工程連接體與主樓采用剛性連接。為便于連接體支座設計及減輕連接體自身重量，本工程連接體采用由型鋼混凝構件組成的桁架。連接體平面布置詳圖3；立面布置詳圖4。

3.結構整體計算分析

3.1 計算模型及主要參數(shù)

結構整體計算分析采用中國建筑科學研究院SATWE及PMSAP兩種程序（本文并未列出PMSAP的計算結果），并采用SATWE所帶的時程分析功能進行多遇地震下的補充分析計算。用EPDA軟件進行在罕遇地震作用下的靜力彈塑性分析。振型組合數(shù)為30，質量參與系數(shù)>90%。周期折減系數(shù)取0.8。樓板假定：計算周期和位移時采用剛性樓板假定；計算桿件內力和截面設計時采用真實反映樓板平面內剛度的假定，即連體部分的樓板定義為彈性膜[3]。

3.2 反應譜分析結果

3.2.1 結構自振周期

由表1可以看出結構的T3/T1及T3/T2的比值均較小于0.8，說明結構的抗扭剛度較強；但由于連體結構的存在結構結構自身的扭轉作用較明顯。查看結構的整體振動圖，發(fā)現(xiàn)第二振型的平動效應更加明顯因此同時對T3/T2進行了計算，其結果小于0.8進一步說明了該結構整體抗扭剛度較強。

3.2.2 剛度及承載力比

由剛度比及承載力比的結果可以看出該結構屬豎向規(guī)則結構。

3.2.3 扭轉位移比

由圖6可以看出結構X向抗扭剛度較強扭轉位移比均小于1.2，結構Y向抗扭剛度雖然大于1.2但并未超出1.4。連接體的存在造成結構在該處樓層的扭轉位移比略有增大。

3.2.4 地震作用下結構基底剪力及傾覆力矩

圖7顯示了框架及剪力墻的樓層剪力及傾覆彎矩分布。高規(guī)要求框架應具有承擔至少20%地震剪力的能力以保證實現(xiàn)雙重抗側力系統(tǒng)。高規(guī)規(guī)定對不滿足要求的框架進行了內力放大，采用放大后的內力對框架的承載能力進行設計。結果顯示框架承受的地震傾覆力矩小于總地震傾覆力矩的50%，因此框架部分的設計按照框架剪力墻結構的相關要求進行。

3.3 彈性時程分析的補充驗算

根據(jù)場地土動力特征Tg = 0.45s，選取了一條人工波RH1TG045和兩條天然波TH1TG045、TH2TG045進行彈性時程分析：地震波持續(xù)時間不小于結構基本周期的5倍，小震地震加速度各分量的取值為（各方向分量取1∶ 0.85∶ 0.65）、主分量方向55cm/s2、次分量方向46.75 cm/s2、豎向分量方向3775 cm/s2。計算結果如圖10、圖11所示。從圖中可以看出：三條波計算得到的兩個方向的基底剪力均不小于CQC 方法計算結果的65%，其平均值不小于CQC 方法計算結果的80%，計算得到的兩個方向層間位移角分別為1/1 973，1/1649，滿足規(guī)范要求。由圖9可以看出結構在上部樓層受高振型的影響，部分時程的樓層剪力結果要大于反應譜，但各條時程波的剪力平均值仍小于反應譜。

3.4 罕遇地震作用下彈塑性分析

考慮到工程的重要性及復雜性，采用EPDA 程序進行了罕遇地震下的靜力彈塑性性分析。側推荷載選擇彈性CQC地震剪力，結果顯示X向、Y向的需求層間位移角為1/153、1/196均小于規(guī)范規(guī)定的限值（1/100）因此該結構罕遇地震下的變形滿足要求。

4. 結構抗震性能評估及構造加強

由以上分析結果可以看出：該結構豎向規(guī)則，抗扭剛度良好，框架與剪力墻剪力分擔比合理；計算各項指標均滿足規(guī)范要求?？紤]到該結構的復雜性從概念設計角度對該結構進行了構造加強：

（1）對框架柱考慮0.2Q0的調整進行設計；對角柱及與其相連的框架梁在考慮0.2Q0后仍進行適當加強。

（2）連接體所在層的樓板加厚至150mm，并采雙層雙向配筋。最小配筋率不小于0.3%。

（3）與連接體相連的梁（并延伸1跨）和柱提高一級抗震等級；與連接體直接相連的柱采用鋼骨混凝土柱，鋼骨向連接體以下延伸2層，所有鋼骨柱箍筋均全層加密。

（4）連接體所在層的下一層，混凝土強度適當提高，進行構件設計時按薄弱層進行處理對全層剪力放大1.15倍。（5）考慮高振型的影響，對頂部樓層，進行構件設計將剪力放大10%。

5.結束語

（1）連體高層建筑的塔樓結構布置宜對稱或相近，當受限建筑布置無法改變時結構應采取相應措施來使各塔樓間剛度盡可能接近，應適當增加各塔樓的抗側剛度和扭轉剛度；

（2）連體結構應采取多種適合的程序計算比較，并采用彈性時程分析對反應譜法作補充驗算，同時還需進行罕遇地震作用下彈塑性分析；

（3）為使連接體能更好的協(xié)調兩側塔樓，連接體的樓板有效寬度應足夠，當長寬比過大時應進行連接體處樓板的應力分析；

（4）應根據(jù)連接體的跨度、高度、位置及兩側塔樓的情況，選用連接體的連接形式及材料。

（5）對連接體的構造要求應適當提高，以滿足性能化設計的要求。

參考文獻：

[1] 徐培福，傅學怡，王翠坤，等. 復雜高層建筑結構設計[M] . 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2]JGJ3-2002 高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[ S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[3]陳岱林，李云貴，魏文郎. 多層及高層結構CAD 軟件高級應用[M] . 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[4]GB 50009-2001 建筑結構荷載規(guī)范[S].