連廊設計對非對稱高層結構地震響應影響

董彥杰

(廈門船舶重工股份有限公司 福建廈門 361026)

0 引言

隨著建筑結構形式的多樣化發展，帶連廊的非對稱高層結構日益涌現，連廊結構的地震響應分析成為研究的熱點問題。由于結構具有獨特的性質，很難用統一的理論去分析不同的建筑結構，因此，有必要對具體工程進行具體分析。包世華[1]等采用分段連續簡化方法建立了某連廊結構模型，并通過理論推導結構水平方向振動微分方程，通過軟件解微分方程求解結構自振周期和振動模態。卞朝東[2]等推導了對稱結構和非對稱結構的振型參與系數分量形式，提出在對復雜連廊結構進行地震響應分析時，應選取足夠多的振型數量才能滿足計算精度要求。Raul[3]將連廊簡化為彈性變形梁，建立符合剛片系模型，對某帶連廊的砌體結構進行了地震響應分析。

對不同的實際工程案例，有必要分析各參數變化對結構振動的影響，以達到優化設計，保證結構安全的目的。王吉民[4]等基于連廊為彈性梁的假定，探討了連廊剛度改變對整體結構振動模態和抗震性能的影響。王克峰[5]等從理論上提出了一種考慮大跨度結構行波效應后的反應譜簡化計算方法，只需通過調整振型參與系數，即可簡單考慮結構的行波效應。黃坤耀[6]等將連廊簡化為彈性梁，采用時程分析法探討了不同工況下整體結構的地震響應。侯家健[7]等則對某雙連廊結構進行彈塑性地震響應分析，根據模型分析結果對工程項目進行評估，并提出了加固方案。文獻[8-9]對幾個實際工程案例(上海交銀金融中心大廈、北京星城廣廈和馬來西亞佩重納斯大廈)進行了建模分析。

高層非對稱連體結構在設計中需考慮的因素較多，如連廊結構連接方式和連廊設計位置均會對整體結構抗震性能產生較大影響。因此，本文基于工程設計模型，采用彈性時程分析法，對比分析了連接方式和連廊位置對結構地震響應的影響。

1 工程背景及有限元模型的建立

該工程背景為某框架剪力墻結構的辦公樓項目，占地面積約2.4萬m2。項目包括5棟辦公樓，其中1號樓與2號樓之間采用連廊結構(鋼結構桁架)。兩棟樓的框架柱截面尺寸為800mm×800mm，框架梁為400mm×600mm，剪力墻厚為300mm。首層層高均為4.2 m，二層以上各層層高為3.3m。1號樓為地上28層，2號樓地上22層，連廊位于第十三層和十五層之間，連廊桁架柱采用H500×300×12×20，桁架梁采用H400×300×10×16，桁架斜腹桿采用□200×200×20。該建筑的結構設計年限為50年，安全等級二級，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.2g，場地類別為II類。

利用有限元軟件SAP2000建立三維空間模型如圖1所示，模型共包括1751個節點，3363個框架單元，1227個面單元。

圖1 三維有限元模型

2 動力特性分析

對模型進行動力特性分析，計算結果如表1所示。從表1可以看出，結構第一階扭轉周期與第一階平動周期之比為0.66，滿足規范要求的復雜高層結構第一階扭轉周期與第一階平動周期之比不能大于0.85的要求，說明該結構剛度分配合理，結構振型符合建筑設計要求。

表1 結構前8階振型和質量參與系數

注：UX表示X向的質量參與系數；UY表示Y向的質量參與系數；RZ表示繞Z向的質量參與系數。*表示振動幅度較小。

3 參數變化對結構地震響應的影響分析

3.1 輸入時程曲線

根據工程背景抗震設防基本信息，選擇El-Centro波、Taft波和一條人工波進行時程分析，3條波的時程曲線如圖2所示。并根據要求對3條波進行峰值調整，調整系數分別為0.2048、0.4584和6.667。

(a) El-Centro波時程曲線

(b)Taft波時程曲線

(c)人工波時程曲線圖2 輸入的時程曲線圖

3.2 連接方式變化對結構地震響應的影響分析

該工程中連廊為鋼結構，與兩側塔樓可采用剛性連接或鉸接兩種方式。將連廊設于13～14層位置，分別建立“鉸接模型”和“剛接模型”，采用時程分析法，對比分析兩種模型的地震響應。

為明確連接方式對結構地震響應的影響，忽略結構扭轉效應的影響，分別提取兩塔樓頂層固定的兩個節點計算結果。兩種模型在不同地震波作用下的結構頂層最大位移值如表2所示。從表2中可以看出，在3條不同地震波作用下，連廊連接方式改變對結構整體剛度幾乎沒有影響，結構頂層位移值變化微小(小于0.5%)，基本可以忽略不計。

表2 不同連接方式下頂層最大位移 mm

(a)El-Centro波

(b)Taft波

(c)人工波圖3 不同連接方式下1號塔樓各層層間位移角

圖3～圖4給出了不同連接方式下，兩側塔樓層間位移角隨樓層高度變化的曲線。從圖中可以看出：對1號塔樓而言，El-Centro波作用下，兩種連接方式基本沒有影響；在Taft波作用下，采用鉸接時連廊下部樓層層間位移大于剛接模型，連廊上部樓層層間位移則相反；人工波作用下連廊連接方式對地震響應的影響規律與Taft波作用下相反，且兩種模型的層間位移角均小于規范限制。對2號塔樓來說，El-Centro波作用下，兩種連接方式基本沒有影響；在Taft波作用下，采用鉸接時，除連廊所在位置外，其余樓層層間位移均大于剛接模型；人工波作用下連廊連接方式對地震響應的影響規律與Taft波作用下相反。同時，兩種模型的層間位移角均小于規范限制。

(a)El-Centro波

(b)Taft波

(c)人工波圖4 不同連接方式下2號塔樓各層層間位移

通過計算發現，連廊的上梁最大剪力大于下梁最大剪力，因此表3僅列出了不同連接方式下，連廊跨中最大彎矩和上梁最大剪力。從表中可知，對不同地震波作用，連接方式對連廊地震響應的影響規律一致。連廊鉸接時，跨中彎矩和上梁最大剪力均大于剛性連接模型。從連廊內力角度考慮，設計中宜優先采用鉸接方式。

表3 不同連接方式下連廊內力

表4列出了不同連接方式下整體結構的基底反力。可知，在El-Centro波和Taft波作用下影響規律一致，采用鉸接時基底剪力和傾覆彎矩均小于剛接模型。在人工波作用下，鉸接模型基底剪力和傾覆彎矩均大于剛接模型。通過取3條波平均值對比可以看出，采用鉸接時結構基底反力會略小于剛接模型，設計中可優先考慮鉸接模型。

表4 不同連接方式下結構基底反力

綜合來看，連廊連接方式對結構整體地震響應影響較小，但從結構優化設計角度來看，可優先考慮采用鉸接方式連接連廊與塔樓。

3.3 連廊位置變化對結構地震響應的影響分析

根據3.2分析結果，確定連廊與塔樓之間采用鉸接。為分析連廊位置對整體結構的影響，共設置了3種方案：(1)連廊設在6～7層位置，簡稱為“位置一模型”；(2)連廊設在13～14層位置，簡稱為“位置二模型”；(3)連廊設在21～22層位置，簡稱為“位置三模型”。

對比分析3種工況下頂層最大位移(計算結果見表5)可知，在3條地震波作用下，連廊位置對1號塔樓結構響應的影響規律一致，隨著連廊位置的增高，頂層最大位移逐漸減低。這是由于連廊高度越高，對結構頂層自由端的約束就越大，因此側向位移就越小。2號塔樓在Taft波和人工波作用下，頂層位移隨著連廊高度的增大而增大，這是因為連廊高度越高，2號塔樓受1號塔樓側移影響越大導致。在El-Centro波作用下，連廊設在13～14層位置時，頂層位移最小。從3條地震波平均值結果來看，連廊位置越高對1號塔樓越有利，連廊位置在中間時，對2號塔樓較有利。

表5 連廊位置不同時頂層最大位移 mm

圖5～圖6繪制了連廊位置變化時兩側塔樓層間位移角隨樓層高度變化的曲線。從圖中可以看出，連廊位置的改變對層間位移和位移角的影響較大，連廊的設置會大大減少兩側塔樓的層間位移。對1號塔樓而言，當連廊設置在21～22層時，在任何一條地震波作用下，15層以上樓層的層間位移都較小；當連廊設置在6～7層時，在任何一條地震波作用下，10層以下樓層的層間位移都較小。3種模型的層間位移角均小于規范限制。對2號塔樓而言，不同地震波作用下，連廊位置的影響規律各不相同，具有較大的離散性。3種模型的層間位移角均小于規范限制。

(a)El-Centro波

(b)Taft波

(c)人工波圖5 連廊位置不同時1號塔樓各層層間位移角

(a)El-Centro波

(b)Taft波

(c)人工波圖6 連廊位置不同時2號塔樓各層層間位移

表6列出了不同連廊位置工況下，連廊跨中最大彎矩和上梁最大剪力值。從表中可知，對不同地震波作用，連廊設置位置對連廊地震響應的影響規律一致。連廊在13～14層時，跨中彎矩和上梁最大剪力值都最大；連廊設在6～7層時，跨中彎矩和上梁最大剪力值都最小。從連廊內力角度考慮，設計中宜優先考慮將連廊設在低樓層位置。

表6 連廊位置不同時連廊內力

表7列出了不同連廊位置工況下整體結構的基底反力。從表中可知，隨著連廊位置高度的增加，結構基底剪力和傾覆彎矩均有增大趨勢。這是由于連廊位置越高，地震波作用下的加速度峰值越大，由連廊振動引起的結構基底剪力就越大，傾覆彎矩也就越大。因此，在防震設計中應考慮將連廊設在低樓層位置。

表7 連廊位置不同時結構基底反力

綜合來看，從控制結構頂層側移角度考慮，宜將連廊設置在較高樓層位置。從控制結構振幅、連廊內力和基底反力角度考慮，則應考慮將連廊設在低樓層位置。

4 結論

通過采用時程分析法，分析多遇地震作用下連廊連接方式和連廊設計位置變化對地震響應的影響，得到以下結論：

(1)連廊連接方式對結構整體地震響應影響較小，但從結構優化設計角度來看，可優先考慮采用鉸接方式連接連廊與塔樓。

(2)從控制結構頂層側移角度考慮，宜將連廊設置在較高樓層位置。從控制結構振幅、連廊內力和基底反力角度考慮，則應考慮將連廊設在低樓層位置。在設計過程中應根據功能需要和受力特點綜合考慮連廊位置。

參考文獻

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