大底盤雙塔結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)

何夕平，齊華偉，劉曉真

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

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大底盤雙塔結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)

何夕平，齊華偉，劉曉真

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

結(jié)合某高層建筑工程利用SAP2000有限元軟件，建立兩個(gè)不同類型的大底盤雙塔結(jié)構(gòu)模型，對(duì)模型分別進(jìn)行反應(yīng)譜分析和時(shí)程分析，得出二者的層間位移和層間位移角，最后對(duì)比分析模型數(shù)據(jù)得出大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)受地震影響程度較小，可為大底盤雙塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

大底盤；雙塔連體結(jié)構(gòu)；層間位移角；時(shí)程分析

近年來隨著對(duì)高層建筑使用功能需求的多元化，高層建筑在數(shù)量、高度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性上不斷發(fā)生變化，大底盤雙塔結(jié)構(gòu)便是適應(yīng)這類變化而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)形式。大底盤雙塔結(jié)構(gòu)下部裙房樓層多設(shè)為商場(chǎng)或酒店，上部兩個(gè)塔樓多作為寫字樓或住宅[1]，這種結(jié)構(gòu)相對(duì)于規(guī)則的高層建筑結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜得多，因此對(duì)其抗震性能的研究顯得尤為重要[2]。目前針對(duì)雙塔結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的研究仍非常有限，如果設(shè)計(jì)者按照以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)很難保證建筑結(jié)構(gòu)的安全。

依據(jù)質(zhì)量中心和剛度中心不重合的規(guī)定，可以將不規(guī)則結(jié)構(gòu)劃分為平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則兩種類型[3]。大底盤不對(duì)稱雙塔結(jié)構(gòu)是由下部的大底盤和上部的兩個(gè)不等高塔樓組成[4]，是一種豎向不規(guī)則的建筑。因其結(jié)構(gòu)的特殊性，在下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的連接處產(chǎn)生了薄弱環(huán)節(jié)[5]，地震條件下反應(yīng)劇烈，對(duì)此作進(jìn)一步研究很有必要。

本文通過創(chuàng)建大底盤雙塔結(jié)構(gòu)模型，利用SAP2000有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)模型依次進(jìn)行模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析和時(shí)程分析，根據(jù)分析得到的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)的層間位移和層間位移角，進(jìn)而得出此類結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性，可為大底盤雙塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 理論研究

模態(tài)分析是反應(yīng)譜分析的基礎(chǔ)，在進(jìn)行反應(yīng)譜分析和時(shí)程分析前應(yīng)先進(jìn)行模態(tài)分析，可根據(jù)其在頻率范圍內(nèi)的模態(tài)特性，預(yù)測(cè)其實(shí)際動(dòng)力響應(yīng)。從本質(zhì)上來說反應(yīng)譜分析是一種擬動(dòng)力分析，這種分析所得到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息能夠很靈活地在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行應(yīng)用。動(dòng)力反應(yīng)是根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力平衡方程完成的，多自由度集中質(zhì)量系統(tǒng)的動(dòng)力平衡方程為

y1(t)+yD(t)+yS(t)=y(t)

(1)

典型的模態(tài)方程為時(shí)間函數(shù)

(2)

反應(yīng)譜分析振型組合采用CQC(完全二次項(xiàng)組合)法，根據(jù)我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)第5.1.3條規(guī)定：對(duì)于不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計(jì)入雙向地震的影響，而使用CQC法得到的單向水平地震作用公式為

(3)

式中：Fi和Fj分別為i振型和j振型在地震作用下的標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)。

2 建立模型

某工程高層建筑擬采用大底盤雙塔結(jié)構(gòu)，建筑總高度為74.1 m，樓層總數(shù)21層，底部裙房結(jié)構(gòu)4層，層高4.5 m，作為大型商場(chǎng)使用，上部塔樓層高3.3 m，作為辦公寫字樓使用。其邊跨的橫向柱距為5 m，中間跨的橫向柱距為8 m，縱向柱距為6 m。柱、梁均采用強(qiáng)度等級(jí)為C40的混凝土，板采用強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土，1～4層的柱截面為1 000 mm×1 000 mm， 5～21層的梁截面的柱截面為900 mm×900 mm；1～4層的梁截面為500 mm×900 mm，5～21層的梁截面為500 mm×750 mm；1～4層的板厚為150 mm，5～21層的板厚為120 mm。建筑樓面恒載4.5 kN/m2，梁上均布荷載10 kN/m，樓面活荷載2 kN/m2，建筑設(shè)計(jì)使用年限50 a，場(chǎng)地類別Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度8度，地震基本加速度0.2 g，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，地震分組為一組，特征周期為0.35 s?，F(xiàn)有兩種設(shè)計(jì)方案：模型1，大底盤雙塔結(jié)構(gòu)，如圖1所示；模型2，大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。兩個(gè)模型的設(shè)計(jì)參數(shù)如上所述，二者的不同之處在于模型2在第18層用一個(gè)跨度為16 m的連體結(jié)構(gòu)將兩個(gè)塔樓連接起來，連體結(jié)構(gòu)設(shè)為觀光長廊。

圖1 模型1大底盤雙塔結(jié)構(gòu)

圖2 模型2大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)

3 地震反應(yīng)分析

3.1 模態(tài)分析

利用SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模態(tài)分析，分析的結(jié)果將作為結(jié)構(gòu)的基本性能參數(shù)，也為靜力分析提供了相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)模態(tài)分析還是反應(yīng)譜分析和時(shí)程分析兩種動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。通過對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析得出結(jié)構(gòu)前20階自振周期和有效質(zhì)量參與系數(shù)，如表1所示。

從表1可知：模型1的前三個(gè)周期分別為3.002 397 s、2.872 854 s和2.454 078 s；模型2的前三個(gè)周期分別為2.953 984 s、2.798 932 s和2.408 968 s。模型1有效質(zhì)量參與系數(shù)為91%；模型2有效質(zhì)量參與系數(shù)為92%，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)要求。對(duì)兩個(gè)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析得出：模型2比模型1的有效質(zhì)量參與系數(shù)大，模型2比模型1的自振周期小，說明模型2相比模型1性能更加合理。

表1 模型模態(tài)分析下的自振周期和有效質(zhì)量參與系數(shù)

3.2 反應(yīng)譜分析

采用CQC法進(jìn)行振型組合，場(chǎng)地類別Ⅱ類，抗震烈度8度，阻尼比0.05。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析得出模型1和模型2的樓層位移和層間位移角，如表2所示。

續(xù)表

反應(yīng)譜分析下模型1和模型2的樓層位移包絡(luò)圖如圖3和圖4所示。

圖3 反應(yīng)譜分析下模型1樓層位移包絡(luò)圖

圖4 反應(yīng)譜分析下模型2樓層位移包絡(luò)圖

反應(yīng)譜分析下模型1和模型2的層間位移角包絡(luò)圖如圖5和圖6所示。

圖5 反應(yīng)譜分析下模型1層間位移角包絡(luò)圖

圖6 反應(yīng)譜分析下模型2層間位移角包絡(luò)圖

由表2和圖3、圖4、圖5、圖6可知：模型1和模型2的最大位移分別為87.954 mm和83.816 mm，模型2作為連體結(jié)構(gòu)，其最大樓層位移比模型1小，抗震性能更好。另外，模型1和模型2的最大層間位移角分別為1/629和1/673，二者均滿足規(guī)范關(guān)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)層間位移角小于1/550的規(guī)定[6]，在第4層模型1和模型2層間位移角發(fā)生突變，為結(jié)構(gòu)薄弱層。模型2在連體部位層間位移角也發(fā)生突變，考慮結(jié)構(gòu)的安全應(yīng)在突變部位采取相應(yīng)的加固措施。

3.3 線性時(shí)程分析

反應(yīng)譜分析雖然有其自身的優(yōu)點(diǎn)，但本質(zhì)上仍是一種擬動(dòng)力分析，不能真實(shí)的反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力，僅僅作為對(duì)反映最大值的一種近似估算。而時(shí)程分析相對(duì)真實(shí)準(zhǔn)確，所以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析就變得非常必要。對(duì)于不規(guī)則建筑和有薄弱層建筑也應(yīng)進(jìn)行時(shí)程分析。

采用天然地震波和人工模擬地震波對(duì)模型1和模型2進(jìn)行分析：EI-Centro波[7]和Lan Zhou1波適用于Ⅱ類場(chǎng)地，二者對(duì)應(yīng)的加速度峰值分別為341.7 cm/s2和196.2 cm/s2，記錄時(shí)間間隔為0.02 s。EI-Centro波為記錄的天然地震波，Lan Zhou1波為人工模擬的地震波，對(duì)模型1和模型2進(jìn)行時(shí)程分析，得樓層位移和層間位移角如表3和表4所示。

表3 模型1線性時(shí)程分析下的樓層位移和層間位移角

表4 模型2線性時(shí)程分析下的樓層位移和層間位移角

續(xù)表

線性時(shí)程分析下模型1和模型2的層間位移角包絡(luò)圖，如圖7和圖8所示。

圖7 El-Centro波作用下層間位移角包絡(luò)圖

圖8 Lan Zhou1波作用下層間位移角包絡(luò)圖

由表3、表4和圖7、圖8可知：在不同的地震波作用下，同一模型的層間位移和層間位移角是不同的，EL-Centro波作用下的樓層位移比Lan Zhou1波作用下的樓層位移大，說明EL-Centro波引起的地震反應(yīng)劇烈[8]。在相同的地震波作用下，模型1的層間位移角比模型2的大，說明模型2的整體性比模型1的好[9]。在不同地震波作用下，結(jié)構(gòu)的薄弱層均出現(xiàn)較大的層間位移角，層間位移角最大值滿足規(guī)范限值的要求，與反應(yīng)譜分析結(jié)果相一致。

4 結(jié)語

本文主要是對(duì)大底盤雙塔結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析，先進(jìn)行了模態(tài)分析，然后是反應(yīng)譜分析，最后是線性時(shí)程分析。由大底盤雙塔結(jié)構(gòu)模型1和模型2對(duì)比分析可知：模態(tài)分析下，模型1有效質(zhì)量參與系數(shù)為91%，模型2有效質(zhì)量參與系數(shù)為92%，滿足規(guī)范限制要求。反應(yīng)譜分析下，模型1與模型2的層間位移角在第4層均發(fā)生了突變，可判定第4層為薄弱層。模型2在連體部位層間位移角也發(fā)生了突變?？紤]結(jié)構(gòu)安全性，對(duì)突變部位應(yīng)采取相應(yīng)的加固措施。線性時(shí)程分析下，不同波作用下EL-Centro波引起的地震反應(yīng)比Lan Zhou1波引起的地震反應(yīng)劇烈，得出相同波作用下模型2的整體性比模型1好。

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Earthquake response of double-tower building with a large base

HE Xi-ping, QI Hua-wei, LIU Xiao-zhen

(DepartmentofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China)

According to current situation of the development of high-rise buildings, combining with a project by using the finite element software SAP2000, two different types of large chassis towers structure model are established. The model response spectrum analysis and time history analysis are made respectively, it is concluded that the displacement between layers and interlayer displacement angle. Finally large chassis twin towers conjoined structure is less affected by earthquake degree based on model data, which can provide reference to the structural design of the twin towers.

enlarged base; two-tower connected building; story drift angle; time history analysis

2015-01-26

安徽省教育廳振興計(jì)劃課題(2013zdjy121)；安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目(2014gxk063)

何夕平(1963-)，男，安徽無為人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代工程施工技術(shù)、施工中的結(jié)構(gòu)問題等研究。

1674-7046(2015)02-0001-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.02.001

TU984.12

A