某雙塔連體高層結(jié)構(gòu)抗震性能分析

冉 莉 王 昭

(河北九易莊宸科技股份有限公司，河北 石家莊 050021)

某雙塔連體高層結(jié)構(gòu)抗震性能分析

冉 莉 王 昭

(河北九易莊宸科技股份有限公司，河北 石家莊 050021)

石家莊市某辦公大樓采用雙塔連體結(jié)構(gòu)體系，屬于特別不規(guī)則的高層建筑。通過(guò)振型分解反應(yīng)譜法和彈性時(shí)程分析法對(duì)該結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析，并在設(shè)防烈度和罕遇地震下按照C級(jí)性能目標(biāo)對(duì)部分連體樓板進(jìn)行應(yīng)力分析，針對(duì)連接體薄弱部位采取一定的加強(qiáng)措施以保證結(jié)構(gòu)的安全。

抗震性能，振型分解反應(yīng)譜，彈性動(dòng)力時(shí)程，性能目標(biāo)，應(yīng)力分析

0 引言

近年來(lái)，建筑形式越來(lái)越多樣化，雙塔連體結(jié)構(gòu)由于它的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)被越來(lái)越多地應(yīng)用在實(shí)際工程中。雙塔連體結(jié)構(gòu)因?yàn)橥ㄟ^(guò)連接體將兩個(gè)塔樓連接在一起，其受力比普通單體結(jié)構(gòu)要復(fù)雜。連接體部分是連體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，應(yīng)對(duì)其采取必要的抗震加強(qiáng)措施，以確保整體建筑物的安全。

1 工程概況

石家莊某城中村改造項(xiàng)目商品區(qū)辦公樓，地下2層，地上24層，建筑總高度99.92 m，建筑總面積70 377 m2，由兩個(gè)塔樓組成，兩個(gè)塔樓在5層、9層、13層、17層、21層、23層連接(如圖1所示)。

結(jié)合建筑內(nèi)部空間和功能及外部形象的設(shè)計(jì)要求、抗震(風(fēng))性能要求、施工周期以及建造成本合理等因素，結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，剪力墻從基礎(chǔ)頂至屋頂保持貫通，且墻體布置無(wú)變化。地上1層～3層采用普通框架剪力墻結(jié)構(gòu)，4層及以上各層樓板采用現(xiàn)澆空心樓蓋，外圈布置框架梁，筒體與外框柱相連處布置700 mm×350 mm的暗梁，樓層結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)圖詳見(jiàn)圖2。

本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，安全等級(jí)為二級(jí)，抗震等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類別為丙類，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防烈為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。

2 彈性計(jì)算分析

多遇地震作用下對(duì)單塔模型和雙塔模型分別進(jìn)行了振型分解反應(yīng)譜法分析，并對(duì)雙塔模型進(jìn)行了彈性動(dòng)力時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。使用計(jì)算程序?yàn)楸本┯栖浖煞萦邢薰揪幹频腨JK軟件。

結(jié)構(gòu)計(jì)算以地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端，計(jì)算豎向工況(包括結(jié)構(gòu)自重、附加恒載及活載)和水平荷載工況(包括地震作用及風(fēng)荷載)。

2.1彈性振型分解反應(yīng)譜分析

地震作用計(jì)算采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法，計(jì)算振型取35階，考慮X向,Y向地震作用，同時(shí)考慮偶然偏心的影響。彈性計(jì)算分析時(shí)不考慮重力二階效應(yīng)的不利影響。

小震作用下結(jié)構(gòu)的自振周期折減系數(shù)取0.85，阻尼比取0.05，剪力墻連梁剛度折減系數(shù)取0.70，梁剛度增大系數(shù)根據(jù)實(shí)際等效剛度取值。

2.1.1結(jié)構(gòu)的自振特性

結(jié)構(gòu)單塔和雙塔模型計(jì)算得到的周期和有效質(zhì)量系數(shù)見(jiàn)表1，由表1可知，單塔模型與雙塔模型在主要振型上具有相同的振動(dòng)方向，動(dòng)力特性基本相同；單塔模型計(jì)算的周期比小于雙塔模型計(jì)算的周期比，表明雙塔的連接體使得結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增強(qiáng)；兩個(gè)模型的第一扭轉(zhuǎn)自振周期與第一平動(dòng)自振周期之比均小于0.90，滿足規(guī)范[3]第3.4.5條要求；兩個(gè)方向振型參與有效質(zhì)量均大于總質(zhì)量的90%，所取振型個(gè)數(shù)滿足規(guī)范[3]第5.1.13條要求。

表1 常遇地震作用下計(jì)算結(jié)果匯總

圖3和圖4為YJK計(jì)算軟件計(jì)算的結(jié)構(gòu)空間振動(dòng)形態(tài)的前三振型圖，由圖可以看出分塔和雙塔第一振型和第三振型均為平動(dòng)振型，第二振型均為扭轉(zhuǎn)振型。由于雙塔連接體剛度較大，雙塔模型的基本振型均為雙塔整體振動(dòng)振型，而不是單塔單獨(dú)振動(dòng)振型，說(shuō)明結(jié)構(gòu)整體性較好，雙塔結(jié)構(gòu)的指標(biāo)特性均以整體模型為主。

2.1.2位移計(jì)算結(jié)果

50年重現(xiàn)期風(fēng)荷載作用下及多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角及最大扭轉(zhuǎn)位移比計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)規(guī)范[3]第3.7.3條，樓層層間最大位移角不宜大于1/800，由表2可知，分塔模型和雙塔模型在風(fēng)荷載作用下及地震標(biāo)準(zhǔn)值作用下層間位移角均滿足規(guī)范要求；其中風(fēng)荷載效應(yīng)遠(yuǎn)小于多遇地震作用效應(yīng)。相對(duì)于分塔模型，雙塔模型在X向的風(fēng)荷載作用和地震作用下的位移角減小，并且扭轉(zhuǎn)位移比也得到改善。在考慮偶然偏心的規(guī)定水平地震力作用下，分塔和雙塔模型樓層的最大扭轉(zhuǎn)位移比均小于1.4，滿足規(guī)范[3]3.4.5條要求。

表2 位移計(jì)算結(jié)果

參數(shù)風(fēng)荷載作用下最大層間位移角(層號(hào))地震作用下最大層間位移角(層號(hào))最大扭轉(zhuǎn)位移比X向Y向X向Y向X向分塔1/1443(16層)1/6383(12層)1/801(15層)1/1590(11層)1．38(5層)雙塔1/3234(16層)1/4932(12層)1/966(16層)1/1381(12層)1．36(3層)

2.1.3樓層受剪承載力

根據(jù)規(guī)范[3]第3.5.3條，結(jié)構(gòu)層間受剪承載力Qi<0.8Qi+1時(shí)，結(jié)構(gòu)承載力沿豎向變化不規(guī)則，該層稱為薄弱層，其對(duì)應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的樓層剪力增大系數(shù)為1.25。分塔和雙塔模型樓層受剪承載力比值曲線見(jiàn)圖5。由圖表可知，樓層受剪承載力比值無(wú)突變，滿足規(guī)范[3]第3.5.3條要求，屬于承載力變化規(guī)則的結(jié)構(gòu)，受剪承載力變化較明顯的部位為層高變化、墻柱截面變化處。

2.2彈性動(dòng)力時(shí)程分析

根據(jù)規(guī)范[3]4.3.4條中表4.3.4，本工程需要采用彈性時(shí)程分析方法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算，采用YJK程序?qū)﹄p塔模型進(jìn)行了多遇地震下的彈性時(shí)程分析。

按照建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選取5組實(shí)際強(qiáng)震記錄和2組人工模擬時(shí)程曲線，上述時(shí)程曲線的選取需符合頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間即地震動(dòng)三要素的要求，也同時(shí)需要符合結(jié)構(gòu)底部剪力及高階振型方面的相關(guān)要求。

時(shí)程曲線的頻譜特性，通過(guò)波譜轉(zhuǎn)換，可用地震影響系數(shù)曲線表征。時(shí)程曲線的有效峰值根據(jù)規(guī)范[1]峰值對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行等比例調(diào)整。時(shí)程曲線的有效持續(xù)時(shí)間，根據(jù)結(jié)構(gòu)基本周期計(jì)算取35 s。

彈性時(shí)程分析結(jié)果見(jiàn)表3，由表3可知，7組時(shí)程曲線輸入計(jì)算的結(jié)構(gòu)平均底部剪力結(jié)果大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，每條時(shí)程曲線輸入計(jì)算的底部剪力均大于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，時(shí)程分析結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表3 彈性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果

3 中庭樓板中震及大震分析

為保證連接體部位的抗震性能，按照C級(jí)性能目標(biāo)及相應(yīng)的抗震性能水準(zhǔn)對(duì)中庭樓板進(jìn)行補(bǔ)充分析和論證。選擇對(duì)5層及23層中庭樓板進(jìn)行設(shè)防地震及罕遇地震作用下的應(yīng)力分析，分析結(jié)果表明，中庭處樓板在地震作用下隨著樓層的增高樓板應(yīng)力逐漸增大；此外，設(shè)防地震作用下中庭樓板在靠近塔樓約2 m范圍內(nèi)開(kāi)裂，2 m范圍內(nèi)樓板拉應(yīng)力平均值在2.0 MPa左右，罕遇地震力作用下，中庭樓板在靠近塔樓約4 m范圍內(nèi)開(kāi)裂，4 m范圍內(nèi)樓板拉應(yīng)力平均值在3.5 MPa左右，應(yīng)力極值均出現(xiàn)在中庭樓板的角部。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在多遇地震下，對(duì)單塔和雙塔模型進(jìn)行了振型分解反應(yīng)譜和彈性動(dòng)力時(shí)程分析，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角、位移比等均滿足規(guī)范要求。

2)對(duì)中庭樓板進(jìn)行了中震及大震作用下的應(yīng)力分析，為了保障中庭樓板在設(shè)防地震和罕遇地震下能夠協(xié)調(diào)兩個(gè)塔樓共同工作，對(duì)中庭梁、板、柱采取以下措施：a.提高樓板X向的配筋率，樓板X向配筋采用雙層D14@200，折算樓板應(yīng)力為400×1%=4.0 MPa，鋼筋接頭采用焊接；中庭樓板的角部加設(shè)放射鋼筋5D14；提高與中庭相連的塔樓樓板的配筋率，按最小配筋率0.5%取值。b.提高中庭X向梁的配筋率，上下截面鋼筋配筋率均不小于2.0%，且鋼筋均拉通設(shè)置，鋼筋接頭采用機(jī)械連接。c.提高與中庭相連框架柱的配筋率，配筋率不小于4.0%，箍筋全高加密。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50009—2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3] JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 劉莉婭，陳 軍.四川某復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2014，44(S1)：189-192.

[5] 黃 瑾，楊 驍，王陽(yáng)利.某大底盤雙塔連體高層結(jié)構(gòu)抗震性能分析和設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010,40(2)：28-32.

Seismicanalysisofatallbuildingconnectedwithtwintowers

RanLiWangZhao

(JiuyizhuangchenofHebeiScienceandTechnologyCo.,Ltd,Shijiazhuang050021,China)

An office building in Shijiazhuang connected with twin towers is a special irregular high-rise building. Seismic behavior of this building is analyzed by mode-superposition response spectrum method and elastic time-history analysis. In order to ensure the safety of the building, stress analysis of the connective floor is studied under the fortification intensity earthquake and rare earthquake according to C-level performance objective. By the results, measures can be taken to strengthen the weak part.

seismic analysis, mode-superposition response spectrum, elastic time-history, performance objective, stress analysis

1009-6825(2017)28-0053-03

2017-07-23

冉 莉(1984- )，女，碩士，工程師； 王 昭(1980- )，男，高級(jí)工程師

TU973.31

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