大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析

■易 帆 ■西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 成都 610500

1 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各種復(fù)雜的高層建筑不斷涌現(xiàn)。由于業(yè)主和甲方對于建筑功能、造型等方面的要求越來越高，相應(yīng)地出現(xiàn)了各種復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)形式如:帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)、帶加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)、豎向體型收進(jìn)、懸挑結(jié)構(gòu)和錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，上述結(jié)構(gòu)形式均為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，不利于結(jié)構(gòu)抗震。而大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)則是連體和豎向體型收進(jìn)二種不規(guī)則結(jié)構(gòu)的組合，在地震作用下，結(jié)構(gòu)受力異常復(fù)雜，容易形成抗震薄弱部位［1］。由于大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)由大底盤、塔樓和連體三個(gè)部分組成，其受力異常復(fù)雜且存在明顯扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)現(xiàn)象。國內(nèi)外大量震害表明:連體結(jié)構(gòu)在地震中破壞嚴(yán)重，連接體本身塌落較多，同時(shí)主體結(jié)構(gòu)中與連接體相連的部分構(gòu)件破壞嚴(yán)重。因此，研究大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及地震反應(yīng)具有非常明顯的現(xiàn)實(shí)意義及工程指導(dǎo)意義。本文通過PKPM軟件建立了四個(gè)連體位置不同的大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)模型，分別對其進(jìn)行模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析和時(shí)程分析，尋找出連體位置的合理布局，以供同類工程參考。

2 模型建立

通過PKPM軟件建立了四個(gè)大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)模型，通過對計(jì)算結(jié)果的提取分析，得到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性及地震反應(yīng)。結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻，結(jié)構(gòu)總長為96.6m，總寬為34.5m，柱距均為6.9m。裙房層數(shù)為4層，層高3.6m，其余各層層高為3.2m，結(jié)構(gòu)總共18層，總高度為59.2m。柱截面尺寸為800800mm，剪力墻厚250mm，板厚200mm，框架梁截面尺寸300800mm，連梁截面尺寸為300500mm，梁、板的混凝土等級為C30，柱的混凝土等級為C40。所謂連梁是指一端與剪力墻、另一端與框架梁連接的梁或者二端都與剪力墻連接的梁，而二端都與框架柱相連的梁是框架梁。在連體部位設(shè)有斜向H型鋼支撐，其截面尺寸為H500mm300mm15mm20mm，與兩側(cè)塔樓采用剛性連接。

抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，場地特征周期值為0.40s，周期折減系數(shù)取0.8。

3 模態(tài)分析

采用PKPM軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，計(jì)算振型個(gè)數(shù)取18，通過對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析得出:(1)四個(gè)計(jì)算模型X向和Y向的有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%，因此所取振型個(gè)數(shù)滿足我國規(guī)范要求;(2)四個(gè)模型均存在高階振型有較大質(zhì)量參與系數(shù)，這說明對于此類建筑結(jié)構(gòu)的高階振型不容忽視，某些高階振型對地震力的貢獻(xiàn)較大;(3)模型1、2、3的一階振型均為純粹的Y向平動(dòng)而模型4的一階振型為純粹的X向平動(dòng)，表明連體的設(shè)置對于結(jié)構(gòu)振型產(chǎn)生了影響，其原因可能與連體的剛度在Y向很小有關(guān)。(4)四個(gè)模型均存在明顯的平扭耦聯(lián)現(xiàn)象且均為與Y向平動(dòng)耦聯(lián)。(5)四個(gè)模型的前七階周期變化較大，其他的高階振型的變化較小，連體設(shè)置增加了結(jié)構(gòu)的剛度，使其周期減小，而當(dāng)連體設(shè)置在距樓層頂部1/3處時(shí)(模型2)，其周期減小最多。

4 地震反應(yīng)

4.1 反應(yīng)譜分析

應(yīng)用PKPM軟件對四個(gè)計(jì)算模型分別求解，得出其在X和Y向的樓層位移及剪力，并進(jìn)行對比分析，由計(jì)算結(jié)果表明左塔和右塔的變形為對稱變形，變形協(xié)調(diào)，故在進(jìn)行位移分析時(shí)作為單塔進(jìn)行分析。

進(jìn)行分析比較可以得出:(1)連體的設(shè)置減小了結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，而當(dāng)連體設(shè)置在距樓層頂部1/3處時(shí)(模型2)，其效果最為明顯，與未設(shè)置連體相比位移減小了17%;(2)模型在X向的位移相差較大而Y向位移基本一致，表明連體設(shè)置對于X向的剛度貢獻(xiàn)較大，而對Y向的剛度貢獻(xiàn)較小;(3)結(jié)構(gòu)在裙房與塔樓連接處剪力發(fā)生了較大突變，這是由于結(jié)構(gòu)在裙房頂部體型收進(jìn)，造成豎向剛度突變，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng);(4)連體設(shè)置可以減小結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力，即減小了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，對結(jié)構(gòu)抗震有利。(5)連體設(shè)置造成結(jié)構(gòu)豎向剛度突變，因此模型在X及Y向的樓層剪力均在連體設(shè)置部位發(fā)生較大的突變，這些部位均為薄弱部位，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取有效加強(qiáng)措施。

4.2 彈性動(dòng)力時(shí)程分析

本文選用Taft地震波進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈性動(dòng)力時(shí)程分析，該波是強(qiáng)震實(shí)測記錄，加速度峰值為175.71cm/s2，適用于Ⅱ類場地，持續(xù)時(shí)間為54.4s，時(shí)間間隔為0.02s。經(jīng)過計(jì)算后，地震波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符，且由地震波計(jì)算的基底剪力大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，故滿足我國規(guī)范對于地震波的選取要求。

經(jīng)分析可以得到:(1)結(jié)構(gòu)在Taft地震波作用下，X向的速度和加速度差異較大，而Y向的速度和加速度幾乎沒有差異，表明連體設(shè)置對于結(jié)構(gòu)X向的剛度貢獻(xiàn)較大，而Y向的剛度貢獻(xiàn)較小;(2)連體的設(shè)置可以減小結(jié)構(gòu)的速度和加速度，即減小了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，對結(jié)構(gòu)抗震有利;(3)結(jié)構(gòu)的X和Y向加速度在結(jié)構(gòu)頂部(即16、17、18層)均有較大的增長，則相應(yīng)的地震作用也增大，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng);(4)當(dāng)連體設(shè)置在距樓層頂部1/3處時(shí)(模型2)，不論是速度還是加速度均最小，即地震反應(yīng)最小，與設(shè)置連體相比其速度減小32.7%，加速度減小33%。

5 結(jié)論

通過建立四個(gè)大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)的模型，并對其自身的動(dòng)力特性及振型分解反應(yīng)譜法和彈性動(dòng)力時(shí)程分析法下的位移、速度、加速度和內(nèi)力進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論:(1)大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)的振型復(fù)雜，存在某些高階振型的質(zhì)量參與系數(shù)較大，且存在明顯的平扭耦聯(lián)現(xiàn)象且均為與Y向平動(dòng)耦聯(lián)。(2)連體設(shè)置對于結(jié)構(gòu)X向的位移、速度、加速度和內(nèi)力影響較大，而對Y向幾乎沒有影響，表明連體對結(jié)構(gòu)在X向的剛度貢獻(xiàn)較大而Y向剛度貢獻(xiàn)較小。(3)當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)置有連體時(shí)，結(jié)構(gòu)的樓層剪力會(huì)在連體部位突然增大形成結(jié)構(gòu)薄弱部位，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意采取加強(qiáng)措施，以免對結(jié)構(gòu)造成不利影響。(4)對于大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)，當(dāng)連體布置在距樓層頂部1/3處時(shí)，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)最小，即其結(jié)構(gòu)布置最為有效合理。

［1］JGJ3－2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］雷關(guān)慶，周貽源.大底盤雙塔結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析［J］.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，22(3):1 －5.

［3］李雅婷.水平地震激勵(lì)下雙塔連體結(jié)構(gòu)受力影響因素研究［D］.北京:北京建筑大學(xué)，2014.

［4］GB50011－2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［5］李志山，容柏生.高層建筑結(jié)構(gòu)的罕遇地震影響的彈塑性時(shí)程分析研究［C］.首屆全國建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會(huì)論文集，2006.

［6］杜玉飛.大底盤非對稱雙塔連體結(jié)構(gòu)抗震性能研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2008.

［7］熊丹安.抗震設(shè)計(jì)簡明教程［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，2006.