MIDAS/Building雙塔大跨度連體建筑抗震設(shè)計(jì)

楊子勝，李新明，楊毅輝

（1.中原工學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.河南省紡織建筑設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450007）

MIDAS/Building雙塔大跨度連體建筑抗震設(shè)計(jì)

楊子勝1，李新明1，楊毅輝2

（1.中原工學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.河南省紡織建筑設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450007）

雙塔大跨度連體建筑結(jié)構(gòu)形式及受力較為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)特別是抗震設(shè)計(jì)尤為重要。以某雙塔大跨度連體建筑為例，基于MIDAS/Building結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)及SATWE對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震反應(yīng)譜分析，考慮施工模擬及P-delta影響，計(jì)算其水平及豎向地震作用，得到整體結(jié)構(gòu)受力與位移參數(shù)，并進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。通過(guò)比較兩種軟件計(jì)算結(jié)果，可以看出該工程各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求，具有良好的抗震性能?；谟?jì)算結(jié)果，提出一些改進(jìn)措施，為類(lèi)似結(jié)構(gòu)的計(jì)算與抗震性能分析提供參考。

雙塔；大跨度連體建筑；抗震設(shè)計(jì)；小震反應(yīng)譜法

0　引　言

近年來(lái)，由于雙塔高層建筑具有節(jié)約土地面積及獨(dú)特建筑美觀效果的優(yōu)點(diǎn)，逐漸普及。與一般單體結(jié)構(gòu)相比，雙塔連體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力抗震設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多［1-3］。目前，針對(duì)無(wú)連體及連體雙塔結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計(jì)方面雖均已有較多研究，但各連體建筑不盡相同，結(jié)構(gòu)體系各有特點(diǎn)，故復(fù)雜連體建筑均需分析其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抗震性能。本文針對(duì)某復(fù)雜雙塔大跨度連體建筑，進(jìn)行復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)的抗震性能分析及設(shè)計(jì)。

1　工程概況

該建筑地下2層，地上15層，建筑高度59.90m。地下兩層為地下車(chē)庫(kù)和設(shè)備用房。地上1層、2層為商業(yè)裙房，主樓為15層寫(xiě)字樓。為了在有限的建筑用地范圍和限高的情況下提高建筑使用面積，項(xiàng)目頂部3層采用跨度25.2 m、寬度25.2 m的連體結(jié)構(gòu)將兩個(gè)主樓塔體相連，形成雙塔大跨度連體建筑［4-5］，由于兩個(gè)塔樓之間的跨度較大，且底部連接底盤(pán)的剛度很大，可以協(xié)調(diào)塔樓部分的變形，具有高層和大跨度結(jié)構(gòu)雙重特點(diǎn)［6］，受力狀況復(fù)雜，抗震設(shè)計(jì)較為困難。

該建筑為框筒結(jié)構(gòu)，裙房部分為框架結(jié)構(gòu)；建筑類(lèi)別為一類(lèi)。主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，地下室防水等級(jí)二級(jí)，地下室防水混凝土抗?jié)B等級(jí)P8，屋面防水等級(jí)為II級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7°。

建筑主體為混凝土材料，連體部分采用Q345鋼材，與連體相連的框架柱為型鋼混凝土柱，連體鋼梁向主體延伸一跨，設(shè)為型鋼混凝土梁。依據(jù)JGJ 3——2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［7］（以下簡(jiǎn)稱(chēng)高規(guī)），復(fù)雜建筑應(yīng)采用至少兩個(gè)結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行整體計(jì)算。為此，采用MIDAS/Building及SATWE兩種軟件進(jìn)行三維有限元分析計(jì)算。

2　計(jì)算模型及參數(shù)

2.1計(jì)算程序

MIDAS/Building使用了最新的有限元分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等技術(shù)，其動(dòng)力彈塑性分析功能通過(guò)提供各種滯回模型、材料本構(gòu)關(guān)系與高效的計(jì)算分析求解器，可以快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。SATWE較好地解決剪力墻和樓板的模型化問(wèn)題，盡可能地減小其模型化誤差，提高分析精度，使分析結(jié)果能夠更好地反映高層結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)。

本文以SATWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能計(jì)算，使用MIDAS/Building進(jìn)行校核。計(jì)算模型采用地下室頂板為嵌固端，帶地下室整體計(jì)算。

2.2設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算模型

對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震反應(yīng)譜分析，考慮施工模擬及P-delta影響，計(jì)算水平及豎向地震作用，得到整體結(jié)構(gòu)受力、位移等，并進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)建立計(jì)算模型，其正視圖和前視圖如圖1所示。

圖1　計(jì)算模型

表1　結(jié)構(gòu)計(jì)算的主要計(jì)算參數(shù)

3　結(jié)構(gòu)計(jì)算及驗(yàn)算

3.1質(zhì)量分布及豎向質(zhì)量驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)總質(zhì)量6.72萬(wàn)噸，其中恒載6.08萬(wàn)噸，活載0.64萬(wàn)噸。結(jié)構(gòu)恒載、活載分布均勻，兩塔豎向質(zhì)量不規(guī)則演算如表2與表3所示。

表2　塔1樓層豎向質(zhì)量不規(guī)則驗(yàn)算

表3　塔2樓層豎向質(zhì)量不規(guī)則驗(yàn)算

可以看出，塔1與塔2均在第12層處出現(xiàn)突變，最大層質(zhì)量比為1.260，符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求（樓層質(zhì)量不宜大于相鄰下部樓層質(zhì)量的1.5倍）。

3.2小震反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果

該項(xiàng)目在小震反應(yīng)譜計(jì)算中，考慮了扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)、偶然偏心及雙向地震效應(yīng)。連體部分采用彈性板假定，塔樓部分采用剛性樓板假定，風(fēng)荷載采用重現(xiàn)期為50年的基本風(fēng)壓。

3.2.1結(jié)構(gòu)周期

應(yīng)用MIDAS和SATWE對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振型周期計(jì)算，其結(jié)構(gòu)如表4所示。發(fā)現(xiàn)兩種軟件的計(jì)算結(jié)果誤差最大為9.78%，反映出不同計(jì)算軟件在結(jié)構(gòu)周期計(jì)算中的差異性。從振型階數(shù)來(lái)看，誤差與振型階數(shù)沒(méi)有明顯相關(guān)關(guān)系。

表4　結(jié)構(gòu)周期對(duì)比計(jì)算

SATWE與MIDAS軟件計(jì)算的結(jié)構(gòu)周期比（Tt/T1）分別為0.777和0.780，均小于規(guī)范要求的0.85，滿足規(guī)范要求，表明連體建筑的抗扭剛度較好［8］。

3.2.2有效質(zhì)量參與系數(shù)與振型

由表5可知，計(jì)算地震作用的有效質(zhì)量參與系數(shù)＞90%，滿足規(guī)范要求。

表5　結(jié)構(gòu)各方向有效質(zhì)量參與系數(shù)

表6　結(jié)構(gòu)最不利位置1）

結(jié)構(gòu)主要振型有：平動(dòng)為主的振型中，根據(jù)確定的兩個(gè)水平坐標(biāo)軸方向X、Y，可區(qū)分為X向平動(dòng)為主的振型和Y向平動(dòng)為主的振型。扭轉(zhuǎn)為主的振型中，周期最長(zhǎng)的稱(chēng)為第一扭轉(zhuǎn)為主的振型。

本結(jié)構(gòu)共有3種振型，分別為：第一振型，X向平動(dòng)振型；第二振型，Y向平動(dòng)振型；第三振型，扭轉(zhuǎn)振型。

3.2.3結(jié)構(gòu)位移和位移比指標(biāo)

表6給出了結(jié)構(gòu)主要位移指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果。從表中可見(jiàn)，MIDAS計(jì)算結(jié)果與SATWE計(jì)算結(jié)果基本一致；在結(jié)構(gòu)頂層最大位移方面，DX為44.26mm，DY為43.91mm；樓層最大層間位移角滿足規(guī)范JGJ 3——2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求（1/800），其余各工況最大層間位移角均滿足規(guī)范要求，塔樓結(jié)構(gòu)體系所提供的抗側(cè)剛度均可滿足結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性和使用要求。

結(jié)構(gòu)X向、Y向地震作用下位移云圖如圖2、圖3所示。經(jīng)分析，結(jié)構(gòu)在X向地震作用以及X±5%工況下底部幾層位移比大于1.2，小于1.5，Y向工況下樓層位移比均小于1.20，滿足規(guī)范要求。

圖2　X向地震作用位移云圖

圖3　Y向地震作用位移云圖

由以上結(jié)果看出，該雙塔大跨度連體建筑各項(xiàng)指標(biāo)良好，結(jié)構(gòu)剛度適中，具有較好的抗震效果［9-10］。

3.2.4樓層反應(yīng)力分析

各塔底部樓層水平荷載作用下，樓層剪力及其傾覆彎矩見(jiàn)表7。發(fā)現(xiàn)塔1與塔2在地震與風(fēng)荷載作用下的樓層剪力及傾覆彎矩基本相同。而在各塔結(jié)構(gòu)底部?jī)蓪觾A覆彎矩中（見(jiàn)表8），塔1與塔2底部?jī)蓪拥腨向柱傾覆彎矩相差較大，其中塔1-2F與塔2-2F在Y向柱傾覆彎矩相差約9.8%。

表7　樓層剪力及其傾覆彎矩

3.2.5結(jié)構(gòu)層剛度比分析

對(duì)框筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)各層側(cè)移剛度與上一層側(cè)移剛度的比值不宜小于0.9。經(jīng)分析，本結(jié)構(gòu)X向第12層最小，為0.701，判斷為薄弱層，該層地震剪力應(yīng)乘以1.25（新高規(guī)3.5.8）倍放大系數(shù)。

表8　各塔底部?jī)蓪觾A覆彎矩

3.2.6結(jié)構(gòu)剪重比分析

經(jīng)分析，X向最小剪重比為0.039，Y向最小剪重比為0.049，X向、Y向剪重比均滿足JGJ 3——2010的要求。

3.2.7樓層抗剪承載力

結(jié)構(gòu)本樓層與上一層抗剪承載力之比：X向最小為0.766，Y向最小為0.717，均在第12層。第12層抗剪承載力比值小于0.8，大于0.65，這層構(gòu)件地震作用調(diào)整系數(shù)為1.25，已做調(diào)整。各層均滿足規(guī)范JGJ 3——2010第3.5.3條“抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一層的65%”的要求。

表9　結(jié)構(gòu)剛重比

3.2.8剛重比

兩種軟件計(jì)算結(jié)果均表明，該結(jié)構(gòu)X向與Y向剛重比均大于1.4，能夠通過(guò)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第5.4.4的整體穩(wěn)定驗(yàn)算，同時(shí)根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.4.1的要求，X向、Y向剛重比均大于2.7，不需要考慮重力二階效應(yīng)。

4　連體部分技術(shù)加強(qiáng)措施

1）連體部分采用三榀三層高的鋼桁架與兩棟主樓剛性連接，兩棟主樓均為框架-核心筒結(jié)構(gòu)。與鋼桁架相連的6個(gè)框架柱采用型鋼砼柱直接從基礎(chǔ)生根，在保證鋼桁架剛性連接的同時(shí)，有效降低了框架柱的軸壓比，減小了柱截面。

2）鋼桁架的弦桿采用焊接H型鋼，并向主樓延伸一跨至核心筒，在充分保證剛性連接的同時(shí)，也有效保證了剪力的傳遞。

3）連體部分抗震加強(qiáng)措施：

①連接體及與連接體相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在連接體高度范圍及其上下層，抗震地基提高一級(jí)。

②與連接體相連的框架柱在連接體高度范圍及其上下層，柱箍筋全長(zhǎng)加密，軸壓比限值按其他樓層框架柱的數(shù)值減小0.05采用。

③與連接體相連的剪力墻在連接體高度范圍及其上下層設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

④連接體及與之對(duì)應(yīng)的主樓各層樓板、連接體上下層樓板配筋采用雙層雙向配筋，連接體底層樓板和頂層樓板厚度加厚至180mm，連接體中間兩層厚度加厚至150mm。

⑤與鋼桁架弦桿對(duì)應(yīng)的框架梁均采用型鋼砼梁，與型鋼砼梁對(duì)應(yīng)另一端的框架柱采用型鋼砼柱，構(gòu)造型鋼砼柱向連接體一下延伸一層。

⑥鋼桁架腹桿采用方鋼管，腹桿與弦桿采用剛性連接，各構(gòu)件型心線重合。

5　結(jié)束語(yǔ)

本工程為雙塔大跨度連體結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)屬于7°（0.15g）地區(qū)，在結(jié)構(gòu)分析中考慮了豎向地震作用與施工階段模擬。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)布置均勻，樓層質(zhì)量比滿足規(guī)范要求。對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震反應(yīng)譜分析，并對(duì)MIDAS和PKPM的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)?？紤]施工模擬及P-delta影響，計(jì)算水平及豎向地震作用，得到整體結(jié)構(gòu)受力、位移等，并進(jìn)行樓層反映力、結(jié)構(gòu)層剛度比、結(jié)構(gòu)剪重比、樓層抗剪承載力和剛重比設(shè)計(jì)驗(yàn)算。發(fā)現(xiàn)該雙塔大跨度連體建筑各項(xiàng)指標(biāo)良好，滿足規(guī)范要求，具有較好的抗震性能。

在滿足結(jié)構(gòu)各項(xiàng)基本規(guī)范指標(biāo)的前提下，基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法和合理化建議，為其他類(lèi)似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析提供了參考。

［1］劉中華，肖志斌，裘濤，等.寶雞某學(xué)院圖書(shū)館雙塔連體結(jié)構(gòu)的抗震分析［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2006，26（3）：131-133.

［2］譚希平.某高層雙塔連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2014，44（22）：17-20.

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［7］高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

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（編輯：李妮）

Twin towers long-span connected building seismic design based on MIDAS/Building

YANG Zisheng1，LI Xinming1，YANG Yihui2
（1.Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China；2.He’nan Textile Architecture Design Institute Co.，Zhengzhou 450007，China）

Thestructureformandstressoftwintowerslong-spanconnectedbuildingis complicated.Its safety design is particularly important，especially for its seismic design.A twin towers long-span connected building is taken as an example in this paper.The design system is analyzed by MIDAS/Building and SATWE software by using small earthquake response spectrum，considering the construction simulation and the influence of P-delta，the horizontal and vertical seismic action is calculated and the structure stress and displacement parameters are proposed with design calculation checking carried out.Through comparing the calculating results by SATWE and MIDAS，the results show that the various parameters about the project are in conformity with standard requirements and the semismic property of the structure is in condition.Some suggestions are given based on the results and it can provide reference for similar projects.

twin towers；long-span connected building；seismic design；small earthquake response spectrum method

A

1674-5124（2016）06-0080-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.06.018

2015-11-09；

2016-01-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51574296）2016年度河南省教育廳人文社會(huì)科學(xué)研究一般項(xiàng)目（2016-gh-199）

楊子勝（1979-），男，河南新鄉(xiāng)市人，副教授，碩士，研究方向?yàn)橥聊竟こ淘O(shè)計(jì)及施工管理。