高位連體部分立面開洞結構性能分析

劉興芳,劉海峰（.山東華城城建設計工程有限公司　;　.中國城市建設研究院有限公司,濟南　5006）

高位連體部分立面開洞結構性能分析

劉興芳1,劉海峰2
（1.山東華城城建設計工程有限公司;2.中國城市建設研究院有限公司,濟南250061）

摘要：高層建筑結構在立面開洞、高位連體滿足建筑建筑功能和美觀的要求，但在地震作用下，樓層產生應力集中現象。本文基于SAP2000軟件采用有限單元法對結構的整體工作性能進行分析，所得數值為工程實際提供一定的參考。

關鍵詞：高位連體結構；開洞；有限單元法

0　引言

高層建筑連體結構是指兩個或多塔結構在一定高度處設置連接體相連形成的主建筑，由于連體建筑的獨特外形能夠帶來強烈的視覺效果，使建筑形體更具特色。由于高位連體將兩者連接，各獨立塔相互作用和影響，其受力和變形復雜，容易出現耦聯振動和扭轉過大的想象，結構的動力特性復雜，屬于復雜高層建筑結構。本文假定一個結構模型，連接體和主體結構之間采用剛性連接，立面開洞的形狀呈矩形，對連接體之間和開洞部位采取加強措施，觀察結構的振型變化。

1　計算模型

由于SAP2000包含了桿單元、實體單元、殼單元，建模和后處理功能強大，計算的結果比較直觀，全面輸出結構體系分析和設計的整體結果，準確反應單體結構和主體結構相互之間的影響力。

（1）結構模型。本模型為20層的高位連體立面開洞結構，結構平面圖見圖1所示。其設計總高度為60m，層高取3m，結構跨度均為6m×6m，左右各有一個塔樓，其平面尺寸為24m×30m；本模型在11-20層間采用高位連接體連接，7-14層在兩個模型對稱部位立面開洞。本模型中主體結構采用框架-剪力墻結構，其柱子的尺寸均為800mm×800mm，主梁尺寸為300mm×500mm剪力墻的厚度為300mm，板厚為150mm，兩個塔樓之間的連接梁尺寸為300mm×750mm，結構外圍的維護材料采用玻璃幕墻，連接體的長度為9m；（2）結構荷載的選取和計算模型。模型中，框架上的荷載假設成梁的線荷載，剪力墻上的荷載假設成線荷載，樓面的荷載假設成樓面的面荷載，不考慮活荷載的不利布置對結構的影響，考慮地震作用的偶然偏心的影響，對于次梁不增設，僅設置主梁。將結構各節點的軸力、剪力按照整體計算的原則進行，節點數均分。采用有限單元法對結構進行離散化分析，連接體將兩個單體的大底盤大跨度結構連接，其計算的基底為水平地面，梁柱皆假設成梁單元模型，剪力墻和樓板假設成板單元，連接體和兩單體建筑采用剛性支座。本結構的抗震設防類別為乙類，地震作用的設防烈度取8度，設計的基本地震加速度為0.2g，設計地震分組為第二組，場地類別Ⅱ，基本風壓取0.55kN/m2，地面粗糙度為B類，確定反應譜的地震影響系數αmax=0.16，其特征周期為Tg=0.4s。框架部分的抗震等級為二級，剪力墻部分的抗震等級為一級，結構的阻尼比為0.05。

2　模態分析

一般規則性結構，前幾階振型已滿足要求，而本模型的立面開洞、高位懸挑，結構整體不規則，高振型階數的層間位移的變化越明顯，更能反映結構對位移的真實影響，結構振型圖見圖2所示。

圖中第1振型和第2振型皆以X向和Y向平動為主，變形相差較小、振型相似，整體變形較小，但結構的連體部分和開洞部分的變形明顯，結構整體變形不協調，在體型突變處形成應力集中現象，柱子和梁容易屈服。第3振型以扭轉振型為主，結構的扭轉變形十分明顯，立面開洞部位的扭轉比其他部位更加明顯，周邊的柱子變形過大，由于結構在立面開洞和高位懸挑，使得結構的抗扭性能降低，結構的冗余度降低，由于下部結構剛度小于上部結構剛度，故在下部結構突變部位形成薄弱層；洞口附近的主要構件，其受力增加明顯，下層出現應力擴散現象，其附近的剛度出現拐點，地震作用強烈，扭轉效應明顯。

選擇一榀框架，其軸力、彎矩和扭矩應力填充圖見圖3所示。結構的整體變形較大，尤其是在立面開洞部位，其軸力數值比四周大很多，底部的數值較上部的數值大，而立面開洞附近的柱子形成應力集中現象，其彎矩值較周圍數值大很多，彎矩在突變出的數值變化較大，結構的底部受力普遍大于上部結構變形。由于結構的冗余度較低，其抗震性能較差。

圖1　　結構平面圖

圖2　　結構振型圖

圖3　應力圖

3　結束與建議

本文通過對立面開洞高位連體結構的特點和受力性能簡述，著重研究了在地震作用下結構的受力特點，結構的動力特性和振動模態復雜，立面開洞部分構件、高位連體部分構件和周邊構件在地震作用下的變形不協調，其抗變形能力差。通過比較全面深入的分析，基于SAP2000對結構模型進行有限元分析，使結構工程設計和概念上都有所深入認識。

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作者簡介：劉興芳（1981-），女，山東泰安人，工程師，主要從事:市政工程結構設計。