大跨高層連接體建筑結構動力研究

李小光

（重慶市市政設計研究院 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構動力，主要表現為主體結構與連接體發生的位移及層間位移可能存在一定差距，這就對兩者的整體性提出很高要求，需要通過對結構動力的深入分析，為整體性改善提供依據。

1 工程概況

某高層建筑主體結構外部輪廓規格尺寸為（80×27）m，結構連接體的規格尺寸為（32×16）m。建筑主體結構為地上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行連接。建筑主體結構采用框剪結構，結構柱截面尺寸為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。建筑連接體結構為鋼結構，底層采用4榀鋼桁架，以上3層采用鋼框架，端部設有鋼支撐。建筑所在場地的抗震設防烈度取Ⅷ度，屬三類場地范疇。

2 建筑結構計算模型

利用有限元方法離散化處理建筑結構，計算模型主要由連接體及其各主體結構構成，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；主體結構與連接體間的其中一側為鉸支座，而另外一側則為在縱向上的滑動制作[1]。

將模型坐標系確定如下：X軸與結構縱向保持平行；Y軸與結構橫向保持平行；Z軸為豎直向上。建筑結構的材料為：①結構柱：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 建筑結構的模態與地震反應分析

3.1 模態分析

分析過程中對前40階的振型進行計算，其中前10階結構自振周期如表1所示。

1階振型在Y向發生平動，主體結構產生變形略大于連接體；2～4階為扭轉振型；5階振型在X向發生平動，連接體產生變形大于主體結構；6～10階為局部振型。可見，因結構具有一定特殊性，所以無論是動力特性還是剛接，均有一定不同：前幾階振型當中，主要為扭轉振型，在X向上發生的平動有明顯滯后現象；6～10階振型當中，對于連接體，其三個方向上與扭轉振型均十分突出；結構介于剛接與無連接之間，其中右側連接體與主體結構之間的連接相對較弱，在振動條件下，右側連接體與主體結構之間的作用很小，致使兩個主體結構產生不同的變形，其整體性差于剛接；因剪力墻的實際布置為不對稱形式，所以具有偏心結構典型特征，直接影響扭轉振型[2]。

表1 前10階結構自振周期

3.2 地震反應分析

3.2.1 地震反應譜

場地的設防烈度取Ⅷ度，屬三類場地范疇，50年超越概率63%反應譜的地震影響系數為0.16，反應譜的特征周期為0.45s。根據現行抗震技術規范確定反應譜曲線，通過分解完成計算。地震動作用在X、Y向上不斷輸入時，各結構實際計算結果如表2所示。

表2 結構在地震反應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，結構在X向上有很大抗側剛度，但連接體很小，實際變形大于主體結構，層間位移角的最大值為1/554，可以達到主體結構的5倍；Y向的地震作用條件下，主要為Y向平動，因剪力墻的實際布置為不對稱和不均勻，所以會產生一定扭轉振動的分量；不同于X向的地震作用條件，Y向地震動作用輸入后，層間位移的最大值，主體結構可以達到連接體2倍，盡管如此，連接體與主體結構都能滿足現行技術規范；連接體與主體結構間的變形差相對較大，在整體性方面亟需改善。

3.2.2 地震時程反應

根據場地各項基本條件，選擇下列三條地震波：①El Centro波；②Taft波；③人工波。根據規范確定的加速度峰值，調幅處理地震波。為對地震波持續作用下結構發生的時程反應進行檢驗，需要做以下分析：①結構頂點發生的最大位移；②頂點的加速度時程；③連接體與主體結構的層間位移；④連接體與主體結構各樓層節點對應的位移差時程。

（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到1/730，相同條件下，主體結構只有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，主體結構為1/1016，相比之下主體結構發生的變形較大[3]。

通過計算與分析可知，如果地震作用在X軸上輸入，則結構頂點在X向上的位移最大可以達到16.32mm，而采用規范反應譜分析的結果為22.42mm，增加了27.21%。如果地震作用在Y軸上輸入，則結構頂點在Y向上的位移最大可以達到30.04mm，而采用規范反應譜分析的結果為27.58mm，減小了8.92%。產生這種偏差原因為長周期成分多于規范反應譜。Y向上的第1階結構自振周期，該地震波譜值比規范反應譜大；而X向上的第1階結構自振周期，該地震波譜值比反應譜小。從以上建筑結構角度講，地震反應主要為第1階結構振型。

（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到1/400，相同條件下，主體結構只有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，主體結構卻可以達到1/899，相比之下主體結構的變形較大[4]。

如果地震作用在X軸上輸入，則結構頂點在X向上的位移最大可以達到31.46mm，而采用規范反應譜分析的結果為22.42mm，減小了40%。如果地震作用在Y軸上輸入，則結構頂點在Y向上的位移最大可以達到33.44mm，而采用規范反應譜分析的結果為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范反應譜，比如，X向上的第1階結構自身周期對應的地震波譜值為2.05，規范反應譜只有1.57，增大了31%，使這一地震波條件下的結構反應大于規范反應譜[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到1/534，相同條件下，主體結構只有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，主體結構卻可以達到1/1141，相比之下主體結構的變形較大[6]。

如果地震作用在X軸上輸入，則結構頂點在X向上的位移最大可以達到30.44mm，采用規范反應譜分析的結果為29.86mm，兩者相差不大。如果地震作用在Y軸上輸入，則結構頂點在Y向上的位移最大可以達到32.12mm，采用規范反應譜分析的結果為31.89mm，兩者相差不大。可見，該地震波輸入后，結構發生的反應與規范反應譜十分相近[7]。

4 結論

（1）針對雙塔連體型建筑結構，因連接體兩端和主體結構之間的連接有不同的邊界條件，這使得結構的動力特性將變得十分復雜，表現為產生一系列復雜多變的振動模態。受到地震作用后，主體結構與連接體發生的變形將完全不同，整體性亟待改善。

（2）從結構的地震反應譜及時程分析結果可以看出，無論是主體結構還是連接體，其層間位移及位移都能達到抗震技術規范。

（3）為有效改善結構整體性，建議采用增設夾層鋼板橡膠墊等措施。

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