大跨高層連接體建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力研究

李小光

（重慶市市政設(shè)計(jì)研究院 重慶江北 400020）

大跨高層連接體建筑具有與普通高層建筑不同的結(jié)構(gòu)動(dòng)力，主要表現(xiàn)為主體結(jié)構(gòu)與連接體發(fā)生的位移及層間位移可能存在一定差距，這就對(duì)兩者的整體性提出很高要求，需要通過對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力的深入分析，為整體性改善提供依據(jù)。

1 工程概況

某高層建筑主體結(jié)構(gòu)外部輪廓規(guī)格尺寸為（80×27）m，結(jié)構(gòu)連接體的規(guī)格尺寸為（32×16）m。建筑主體結(jié)構(gòu)為地上12層塔樓，地上8層至地上12層于塔樓之間由高位連接體進(jìn)行連接。建筑主體結(jié)構(gòu)采用框剪結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)柱截面尺寸為1000mm×1000mm與800mm×800mm，墻體厚度為450mm和300mm，局部200mm，采用無梁樓蓋樓板，厚度為350mm和200mm。建筑連接體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，底層采用4榀鋼桁架，以上3層采用鋼框架，端部設(shè)有鋼支撐。建筑所在場地的抗震設(shè)防烈度?、?，屬三類場地范疇。

2 建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

利用有限元方法離散化處理建筑結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型主要由連接體及其各主體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，將模型基底確定在地面上。梁柱按梁單元模擬；剪力墻按板單元模擬；主體結(jié)構(gòu)與連接體間的其中一側(cè)為鉸支座，而另外一側(cè)則為在縱向上的滑動(dòng)制作[1]。

將模型坐標(biāo)系確定如下：X軸與結(jié)構(gòu)縱向保持平行；Y軸與結(jié)構(gòu)橫向保持平行；Z軸為豎直向上。建筑結(jié)構(gòu)的材料為：①結(jié)構(gòu)柱：地上1層至地上3層選用C60混凝土，地上4層選用C50混凝土，地上5層至地上8層選用C40混凝土，地上8層以上選用C30混凝土；②墻：地上1層至地上5層選用C40混凝土，地上5層以上選用C30混凝土；③梁、板：選用C40混凝土；④連接體：Q235鋼。

3 建筑結(jié)構(gòu)的模態(tài)與地震反應(yīng)分析

3.1 模態(tài)分析

分析過程中對(duì)前40階的振型進(jìn)行計(jì)算，其中前10階結(jié)構(gòu)自振周期如表1所示。

1階振型在Y向發(fā)生平動(dòng)，主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形略大于連接體；2～4階為扭轉(zhuǎn)振型；5階振型在X向發(fā)生平動(dòng)，連接體產(chǎn)生變形大于主體結(jié)構(gòu)；6～10階為局部振型?？梢姡蚪Y(jié)構(gòu)具有一定特殊性，所以無論是動(dòng)力特性還是剛接，均有一定不同：前幾階振型當(dāng)中，主要為扭轉(zhuǎn)振型，在X向上發(fā)生的平動(dòng)有明顯滯后現(xiàn)象；6～10階振型當(dāng)中，對(duì)于連接體，其三個(gè)方向上與扭轉(zhuǎn)振型均十分突出；結(jié)構(gòu)介于剛接與無連接之間，其中右側(cè)連接體與主體結(jié)構(gòu)之間的連接相對(duì)較弱，在振動(dòng)條件下，右側(cè)連接體與主體結(jié)構(gòu)之間的作用很小，致使兩個(gè)主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的變形，其整體性差于剛接；因剪力墻的實(shí)際布置為不對(duì)稱形式，所以具有偏心結(jié)構(gòu)典型特征，直接影響扭轉(zhuǎn)振型[2]。

表1 前10階結(jié)構(gòu)自振周期

3.2 地震反應(yīng)分析

3.2.1 地震反應(yīng)譜

場地的設(shè)防烈度取Ⅷ度，屬三類場地范疇，50年超越概率63%反應(yīng)譜的地震影響系數(shù)為0.16，反應(yīng)譜的特征周期為0.45s。根據(jù)現(xiàn)行抗震技術(shù)規(guī)范確定反應(yīng)譜曲線，通過分解完成計(jì)算。地震動(dòng)作用在X、Y向上不斷輸入時(shí)，各結(jié)構(gòu)實(shí)際計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)在地震反應(yīng)譜條件下的最大位移

由表2可知，X向的地震作用條件下，主要為水平方向上的平動(dòng)，結(jié)構(gòu)在X向上有很大抗側(cè)剛度，但連接體很小，實(shí)際變形大于主體結(jié)構(gòu)，層間位移角的最大值為1/554，可以達(dá)到主體結(jié)構(gòu)的5倍；Y向的地震作用條件下，主要為Y向平動(dòng)，因剪力墻的實(shí)際布置為不對(duì)稱和不均勻，所以會(huì)產(chǎn)生一定扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的分量；不同于X向的地震作用條件，Y向地震動(dòng)作用輸入后，層間位移的最大值，主體結(jié)構(gòu)可以達(dá)到連接體2倍，盡管如此，連接體與主體結(jié)構(gòu)都能滿足現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范；連接體與主體結(jié)構(gòu)間的變形差相對(duì)較大，在整體性方面亟需改善。

3.2.2 地震時(shí)程反應(yīng)

根據(jù)場地各項(xiàng)基本條件，選擇下列三條地震波：①El Centro波；②Taft波；③人工波。根據(jù)規(guī)范確定的加速度峰值，調(diào)幅處理地震波。為對(duì)地震波持續(xù)作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生的時(shí)程反應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)，需要做以下分析：①結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)發(fā)生的最大位移；②頂點(diǎn)的加速度時(shí)程；③連接體與主體結(jié)構(gòu)的層間位移；④連接體與主體結(jié)構(gòu)各樓層節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移差時(shí)程。

（1）El Centro波

X向地震條件下，連接體在X向上的層間位移角最大可以達(dá)到1/730，相同條件下，主體結(jié)構(gòu)只有1/3500，所以連接體變形是主要控制因素之一；在Y向地震條件下，與以上完全相反，連接體在Y向上的層間位移角最大不超過1/1700，相同條件下，主體結(jié)構(gòu)為1/1016，相比之下主體結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形較大[3]。

通過計(jì)算與分析可知，如果地震作用在X軸上輸入，則結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)在X向上的位移最大可以達(dá)到16.32mm，而采用規(guī)范反應(yīng)譜分析的結(jié)果為22.42mm，增加了27.21%。如果地震作用在Y軸上輸入，則結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)在Y向上的位移最大可以達(dá)到30.04mm，而采用規(guī)范反應(yīng)譜分析的結(jié)果為27.58mm，減小了8.92%。產(chǎn)生這種偏差原因?yàn)殚L周期成分多于規(guī)范反應(yīng)譜。Y向上的第1階結(jié)構(gòu)自振周期，該地震波譜值比規(guī)范反應(yīng)譜大；而X向上的第1階結(jié)構(gòu)自振周期，該地震波譜值比反應(yīng)譜小。從以上建筑結(jié)構(gòu)角度講，地震反應(yīng)主要為第1階結(jié)構(gòu)振型。

（2）Taft波

X向地震條件下，連接體在X向上的層間位移角最大可以達(dá)到1/400，相同條件下，主體結(jié)構(gòu)只有1/2050，連接體有較大的變形；Y向地震條件下，連接體在Y向上的層間位移角最大只有1/1590，主體結(jié)構(gòu)卻可以達(dá)到1/899，相比之下主體結(jié)構(gòu)的變形較大[4]。

如果地震作用在X軸上輸入，則結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)在X向上的位移最大可以達(dá)到31.46mm，而采用規(guī)范反應(yīng)譜分析的結(jié)果為22.42mm，減小了40%。如果地震作用在Y軸上輸入，則結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)在Y向上的位移最大可以達(dá)到33.44mm，而采用規(guī)范反應(yīng)譜分析的結(jié)果為27.58mm，減小了21.25%。因該地震波處于0.2～0.95s頻譜中的幅值大于規(guī)范反應(yīng)譜，比如，X向上的第1階結(jié)構(gòu)自身周期對(duì)應(yīng)的地震波譜值為2.05，規(guī)范反應(yīng)譜只有1.57，增大了31%，使這一地震波條件下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)大于規(guī)范反應(yīng)譜[5]。

（3）人工波

X向地震條件下，連接體在X向上的層間位移角最大可以達(dá)到1/534，相同條件下，主體結(jié)構(gòu)只有1/2941；連接體有較大的變形；Y向地震條件下，連接體在Y向上的層間位移角最大只有1/2276，主體結(jié)構(gòu)卻可以達(dá)到1/1141，相比之下主體結(jié)構(gòu)的變形較大[6]。

如果地震作用在X軸上輸入，則結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)在X向上的位移最大可以達(dá)到30.44mm，采用規(guī)范反應(yīng)譜分析的結(jié)果為29.86mm，兩者相差不大。如果地震作用在Y軸上輸入，則結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)在Y向上的位移最大可以達(dá)到32.12mm，采用規(guī)范反應(yīng)譜分析的結(jié)果為31.89mm，兩者相差不大?？梢?，該地震波輸入后，結(jié)構(gòu)發(fā)生的反應(yīng)與規(guī)范反應(yīng)譜十分相近[7]。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)雙塔連體型建筑結(jié)構(gòu)，因連接體兩端和主體結(jié)構(gòu)之間的連接有不同的邊界條件，這使得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性將變得十分復(fù)雜，表現(xiàn)為產(chǎn)生一系列復(fù)雜多變的振動(dòng)模態(tài)。受到地震作用后，主體結(jié)構(gòu)與連接體發(fā)生的變形將完全不同，整體性亟待改善。

（2）從結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)譜及時(shí)程分析結(jié)果可以看出，無論是主體結(jié)構(gòu)還是連接體，其層間位移及位移都能達(dá)到抗震技術(shù)規(guī)范。

（3）為有效改善結(jié)構(gòu)整體性，建議采用增設(shè)夾層鋼板橡膠墊等措施。

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