大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)的地震響應分析

■易 帆 ■西南石油大學土木工程與建筑學院，四川 成都 610500

1 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各種復雜的高層建筑不斷涌現(xiàn)。由于業(yè)主和甲方對于建筑功能、造型等方面的要求越來越高，相應地出現(xiàn)了各種復雜高層建筑結(jié)構(gòu)形式如:帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)、帶加強層結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)、豎向體型收進、懸挑結(jié)構(gòu)和錯層結(jié)構(gòu)，上述結(jié)構(gòu)形式均為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，不利于結(jié)構(gòu)抗震。而大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)則是連體和豎向體型收進二種不規(guī)則結(jié)構(gòu)的組合，在地震作用下，結(jié)構(gòu)受力異常復雜，容易形成抗震薄弱部位［1］。由于大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)由大底盤、塔樓和連體三個部分組成，其受力異常復雜且存在明顯扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)現(xiàn)象。國內(nèi)外大量震害表明:連體結(jié)構(gòu)在地震中破壞嚴重，連接體本身塌落較多，同時主體結(jié)構(gòu)中與連接體相連的部分構(gòu)件破壞嚴重。因此，研究大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)的動力特性及地震反應具有非常明顯的現(xiàn)實意義及工程指導意義。本文通過PKPM軟件建立了四個連體位置不同的大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)模型，分別對其進行模態(tài)分析、反應譜分析和時程分析，尋找出連體位置的合理布局，以供同類工程參考。

2 模型建立

通過PKPM軟件建立了四個大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)模型，通過對計算結(jié)果的提取分析，得到結(jié)構(gòu)的振動特性及地震反應。結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻，結(jié)構(gòu)總長為96.6m，總寬為34.5m，柱距均為6.9m。裙房層數(shù)為4層，層高3.6m，其余各層層高為3.2m，結(jié)構(gòu)總共18層，總高度為59.2m。柱截面尺寸為800800mm，剪力墻厚250mm，板厚200mm，框架梁截面尺寸300800mm，連梁截面尺寸為300500mm，梁、板的混凝土等級為C30，柱的混凝土等級為C40。所謂連梁是指一端與剪力墻、另一端與框架梁連接的梁或者二端都與剪力墻連接的梁，而二端都與框架柱相連的梁是框架梁。在連體部位設有斜向H型鋼支撐，其截面尺寸為H500mm300mm15mm20mm，與兩側(cè)塔樓采用剛性連接。

抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g，場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第二組，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，場地特征周期值為0.40s，周期折減系數(shù)取0.8。

3 模態(tài)分析

采用PKPM軟件計算結(jié)構(gòu)的動力特性，計算振型個數(shù)取18，通過對計算結(jié)果進行分析得出:(1)四個計算模型X向和Y向的有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%，因此所取振型個數(shù)滿足我國規(guī)范要求;(2)四個模型均存在高階振型有較大質(zhì)量參與系數(shù)，這說明對于此類建筑結(jié)構(gòu)的高階振型不容忽視，某些高階振型對地震力的貢獻較大;(3)模型1、2、3的一階振型均為純粹的Y向平動而模型4的一階振型為純粹的X向平動，表明連體的設置對于結(jié)構(gòu)振型產(chǎn)生了影響，其原因可能與連體的剛度在Y向很小有關。(4)四個模型均存在明顯的平扭耦聯(lián)現(xiàn)象且均為與Y向平動耦聯(lián)。(5)四個模型的前七階周期變化較大，其他的高階振型的變化較小，連體設置增加了結(jié)構(gòu)的剛度，使其周期減小，而當連體設置在距樓層頂部1/3處時(模型2)，其周期減小最多。

4 地震反應

4.1 反應譜分析

應用PKPM軟件對四個計算模型分別求解，得出其在X和Y向的樓層位移及剪力，并進行對比分析，由計算結(jié)果表明左塔和右塔的變形為對稱變形，變形協(xié)調(diào)，故在進行位移分析時作為單塔進行分析。

進行分析比較可以得出:(1)連體的設置減小了結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，而當連體設置在距樓層頂部1/3處時(模型2)，其效果最為明顯，與未設置連體相比位移減小了17%;(2)模型在X向的位移相差較大而Y向位移基本一致，表明連體設置對于X向的剛度貢獻較大，而對Y向的剛度貢獻較小;(3)結(jié)構(gòu)在裙房與塔樓連接處剪力發(fā)生了較大突變，這是由于結(jié)構(gòu)在裙房頂部體型收進，造成豎向剛度突變，設計時應注意加強;(4)連體設置可以減小結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力，即減小了結(jié)構(gòu)的地震反應，對結(jié)構(gòu)抗震有利。(5)連體設置造成結(jié)構(gòu)豎向剛度突變，因此模型在X及Y向的樓層剪力均在連體設置部位發(fā)生較大的突變，這些部位均為薄弱部位，在進行結(jié)構(gòu)設計時應采取有效加強措施。

4.2 彈性動力時程分析

本文選用Taft地震波進行結(jié)構(gòu)的彈性動力時程分析，該波是強震實測記錄，加速度峰值為175.71cm/s2，適用于Ⅱ類場地，持續(xù)時間為54.4s，時間間隔為0.02s。經(jīng)過計算后，地震波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符，且由地震波計算的基底剪力大于振型分解反應譜法計算結(jié)果的65%，故滿足我國規(guī)范對于地震波的選取要求。

經(jīng)分析可以得到:(1)結(jié)構(gòu)在Taft地震波作用下，X向的速度和加速度差異較大，而Y向的速度和加速度幾乎沒有差異，表明連體設置對于結(jié)構(gòu)X向的剛度貢獻較大，而Y向的剛度貢獻較小;(2)連體的設置可以減小結(jié)構(gòu)的速度和加速度，即減小了結(jié)構(gòu)的地震反應，對結(jié)構(gòu)抗震有利;(3)結(jié)構(gòu)的X和Y向加速度在結(jié)構(gòu)頂部(即16、17、18層)均有較大的增長，則相應的地震作用也增大，故設計時應注意加強;(4)當連體設置在距樓層頂部1/3處時(模型2)，不論是速度還是加速度均最小，即地震反應最小，與設置連體相比其速度減小32.7%，加速度減小33%。

5 結(jié)論

通過建立四個大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)的模型，并對其自身的動力特性及振型分解反應譜法和彈性動力時程分析法下的位移、速度、加速度和內(nèi)力進行對比分析，得出以下結(jié)論:(1)大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)的振型復雜，存在某些高階振型的質(zhì)量參與系數(shù)較大，且存在明顯的平扭耦聯(lián)現(xiàn)象且均為與Y向平動耦聯(lián)。(2)連體設置對于結(jié)構(gòu)X向的位移、速度、加速度和內(nèi)力影響較大，而對Y向幾乎沒有影響，表明連體對結(jié)構(gòu)在X向的剛度貢獻較大而Y向剛度貢獻較小。(3)當結(jié)構(gòu)設置有連體時，結(jié)構(gòu)的樓層剪力會在連體部位突然增大形成結(jié)構(gòu)薄弱部位，設計人員在設計時應注意采取加強措施，以免對結(jié)構(gòu)造成不利影響。(4)對于大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)，當連體布置在距樓層頂部1/3處時，結(jié)構(gòu)地震反應最小，即其結(jié)構(gòu)布置最為有效合理。

［1］JGJ3－2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］雷關慶，周貽源.大底盤雙塔結(jié)構(gòu)的地震響應分析［J］.安徽建筑工業(yè)學院學報，2014，22(3):1 －5.

［3］李雅婷.水平地震激勵下雙塔連體結(jié)構(gòu)受力影響因素研究［D］.北京:北京建筑大學，2014.

［4］GB50011－2010建筑抗震設計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［5］李志山，容柏生.高層建筑結(jié)構(gòu)的罕遇地震影響的彈塑性時程分析研究［C］.首屆全國建筑結(jié)構(gòu)技術交流會論文集，2006.

［6］杜玉飛.大底盤非對稱雙塔連體結(jié)構(gòu)抗震性能研究［D］.長沙:湖南大學，2008.

［7］熊丹安.抗震設計簡明教程［M］.廣州:華南理工大學出版社，2006.