高層連體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析

楊玉華

[摘要]近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑技術(shù)也在不斷提升與改進(jìn)，特別是針對(duì)高層建筑而言，其建筑工藝呈現(xiàn)出多元化，這也是根據(jù)社會(huì)及公眾的需求而產(chǎn)生的相應(yīng)變化。高層連體結(jié)構(gòu)是當(dāng)前建筑的一種特殊結(jié)構(gòu)形式，與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)相比，連體結(jié)構(gòu)的建筑工藝以及原理也存在一定的差異，包括在建設(shè)、使用功能等多個(gè)方面。連體結(jié)構(gòu)的建筑形式在我國(guó)有著廣泛的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]高層；連體結(jié)構(gòu)；動(dòng)力特性

文章編號(hào)：2095-4085（2016）07-0052-02

連體結(jié)構(gòu)的建筑和傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)相比，有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如功能多樣化、占地面積較少等，其也是目前的一種新型建筑工藝手段。而且在這類結(jié)構(gòu)中，連廊與塔樓始終保持連接狀態(tài)，這也單純保證了塔樓的受力，導(dǎo)致整體連廊的受力呈現(xiàn)出多樣性。另外，塔樓也會(huì)受到連廊的聯(lián)動(dòng)影響，即彼此產(chǎn)生耦合現(xiàn)象，因此，相對(duì)于一般單塔樓而言，受力存在較大差異。而筆者將通過(guò)本文的闡述，對(duì)高層連體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性方面展開(kāi)具體的分析與探討。

1連體結(jié)構(gòu)探究

一般連體結(jié)構(gòu)的相關(guān)模型可以包含四類，即聯(lián)系質(zhì)點(diǎn)類；聯(lián)系剛片類；分段持續(xù)類；三維空間類。而不同的模型也會(huì)匹配不同的塔樓構(gòu)造。

即如平面十分規(guī)整、對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行探討過(guò)程中，則會(huì)參考聯(lián)系質(zhì)點(diǎn)類模型。而且在探討過(guò)程中，僅需針對(duì)正交水平角度的自由性展開(kāi)分析即可，不必再考慮結(jié)構(gòu)是否能夠完全自由轉(zhuǎn)動(dòng)。而且在該類模型下，各層質(zhì)量都會(huì)聚集在一點(diǎn)，因而若要研究各層的位移情況，僅需要參考X和Y為平動(dòng)變量即可。

而聯(lián)系剛片類模型則在高層建筑的平扭耦聯(lián)振動(dòng)中比較多見(jiàn)，其原理是將建筑各層以鋼片進(jìn)行劃分，而且各層的質(zhì)量也是基于鋼片的作用，最后構(gòu)建成聯(lián)系剛片類模型。而且模型本身的所有鋼片都具有三個(gè)自由向，即水平位移橫向坐標(biāo)X與縱向坐標(biāo)Y，另外還包含轉(zhuǎn)動(dòng)的移動(dòng)角度θ，這類模型的運(yùn)用方向可以包含于對(duì)稱連體構(gòu)造以及單軸對(duì)稱連體構(gòu)造之中[1]。

當(dāng)然，也曾有相關(guān)調(diào)查研究指出，基于解析方法，通過(guò)分段持續(xù)類的模型可以把塔樓當(dāng)成直立的懸臂梁，然后把連廊當(dāng)成水平的梁體，同時(shí)對(duì)其曲折、切割、軸向形變等多種變化進(jìn)行探析。不過(guò)這類分析研究一般不將樓板剛度列為研究條件，進(jìn)而最大程度減少運(yùn)算的難度，但其運(yùn)算精準(zhǔn)度卻存在不足，特別是與有限元的方法進(jìn)行比對(duì)。

最后，針對(duì)三維空間類的研究，可以排除剛性樓板的假設(shè)展開(kāi)研究，而且研究?jī)H需要按照三維空間模型，即針對(duì)高層空間展開(kāi)細(xì)致研究即可。而且該類研究方法一般是經(jīng)由模型側(cè)面體現(xiàn)出建筑內(nèi)部每個(gè)結(jié)構(gòu)的自由度，而且需要采用多步繁瑣的運(yùn)算方式，即便如此，相對(duì)其他方法而言，這類方面誤差也是最小的。

2多塔樓結(jié)構(gòu)的水平地震解析

采用聯(lián)系剛片類模型，就可以完整分析出高層建筑的動(dòng)力特性，特別是呈現(xiàn)對(duì)稱的地盤(pán)雙塔結(jié)構(gòu)體。通過(guò)分析可以得出，在地震的影響下，這類建筑構(gòu)成或許會(huì)產(chǎn)生五類不盡相同的震動(dòng)方式。反對(duì)稱振型的水平地震參與系數(shù)為0 ， 不會(huì)導(dǎo)致建筑位移或者內(nèi)部產(chǎn)生力。此外，在利用串聯(lián)質(zhì)點(diǎn)模型對(duì)對(duì)稱和不對(duì)稱兩種方法進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)稱結(jié)構(gòu)的建筑分析結(jié)果和之前的方法是相同的，但是在不對(duì)稱的雙塔結(jié)構(gòu)中，得出塔樓和裙房轉(zhuǎn)換處是建筑的薄弱層，而且在設(shè)置連體后，塔樓和樓層的連接處剛度會(huì)產(chǎn)生變化。當(dāng)連體處的剛度較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較明顯的突變，在受力分析方面比較繁瑣。

在雙塔連體結(jié)構(gòu)上，連廊的剛度和塔樓剛度相比較小，在分析的過(guò)程中，要考慮到連廊可能出現(xiàn)的彈性變形。通過(guò)質(zhì)點(diǎn)串聯(lián)模型，可以根據(jù)彈性樓板對(duì)和塔樓相連接的連廊進(jìn)行分析，考慮單塔樓大底盤(pán)結(jié)構(gòu)的底盤(pán)剛度、高度、承載力等因素在地震作用下出現(xiàn)的變化。

連體結(jié)構(gòu)在振型分析方面比較復(fù)雜，高階振型會(huì)出現(xiàn)較大的影響。因此，在對(duì)地震的影響進(jìn)行分析時(shí)，要考慮到振型的數(shù)量。在地震作用下，不同結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)反應(yīng)也各不相同，在模擬參與因子研究基礎(chǔ)上的模態(tài)分析方法，可以對(duì)結(jié)構(gòu)中的動(dòng)力特性等方面進(jìn)行分析[2]。

3連體結(jié)構(gòu)豎向地震分析

通過(guò)震害分析得出，連廊在豎向地震的作用下，可能會(huì)遭到一定程度的損壞。另一方面，在豎向地震作用的分析中融入連體結(jié)構(gòu)的計(jì)算，并把多條地震波彈性時(shí)程計(jì)算結(jié)果的平均值進(jìn)行分析比較。最后得出，隨著桁架與塔樓頻率比的增加，連體震動(dòng)所引發(fā)的放大效果就會(huì)表現(xiàn)的比較明顯；而當(dāng)連體和塔樓之間的質(zhì)量比較小時(shí)，同時(shí)兩者的頻率比較近，所引發(fā)的反應(yīng)會(huì)更加明顯。

4彈塑性時(shí)程分析和地震波入射方向?qū)Y(jié)構(gòu)的影響

一般連體結(jié)構(gòu)的平面都呈現(xiàn)不規(guī)則分布，由于結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度以及強(qiáng)度中心存在互相偏離的情況，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)在地震的作用下會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的情況，在抗震性方面表現(xiàn)較差。

在對(duì)雙向地震和單向地震的研究中，有研究人員對(duì)單層結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)建、質(zhì)量、剛度、強(qiáng)度分布等進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，結(jié)果得出，有些制度規(guī)范中的條文可能并不正確，低估了這些不規(guī)則平面在地震作用下的反映。其主要是因?yàn)?，這些研究中所采用的地震波，僅僅是根據(jù)結(jié)構(gòu)的主軸方向相互正交的水平地震波。在對(duì)水平任意向地震輸入對(duì)連體結(jié)構(gòu)影響的研究中，結(jié)果表明，在連接情況下，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形是分析中必須要考慮的因素，最后再根據(jù)裝置中不同的參數(shù)對(duì)扭轉(zhuǎn)反映的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析。

在對(duì)高層結(jié)構(gòu)在地震波不同角度輸入的彈性地震效應(yīng)分析中，結(jié)果得出，無(wú)論研究對(duì)象是雙向地震還是單向地震，SRSS的研究方式都可能低估結(jié)構(gòu)的最大地震響應(yīng)。同時(shí)，還有研究人員發(fā)現(xiàn)，彈性地震作用的最大方向和彈塑性地震作用的最大方向有著一定區(qū)別。

5結(jié)語(yǔ)

高層連體結(jié)構(gòu)和其他高層結(jié)構(gòu)相比，有著獨(dú)特的特點(diǎn)，因此也更加復(fù)雜。未來(lái)還需要在以下幾個(gè)方向進(jìn)行深入研究：第一，不對(duì)稱連體結(jié)構(gòu)振型分析。目前已有的研究主要是在對(duì)稱作用情況下進(jìn)行分析，而在不對(duì)稱方面的分析還有待加強(qiáng)；第二，豎向地震可能并不會(huì)對(duì)連體結(jié)構(gòu)連廊部分產(chǎn)生過(guò)多的影響，但是目前采用的規(guī)章制度也可能低估了連廊的豎向地震作用，因此需要進(jìn)一步研究；第三，地震輸入角度是否對(duì)稱也可能對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，尤其是結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)之后，非主軸方向的地震波可能比主軸方向的地震波產(chǎn)生更大的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳繼峰.連體高層建筑結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化動(dòng)力分析[D].鄭州：河南理工大學(xué)，2012.

[2]姬棟宇.高層連體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2016，（10）：48-49.

[3]張凱華.復(fù)雜高層連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2014.