王廣東

(中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710082)

隨著高層建筑的發(fā)展，大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)涌現(xiàn)了出來(lái)，該類結(jié)構(gòu)是將底部幾層布置成大底盤，上部采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的塔樓作為主體結(jié)構(gòu)。該種多塔樓的主要特點(diǎn)是：底部的裙樓連成整體，形成了一個(gè)大底盤。為了解決功能要求與結(jié)構(gòu)合理布置上的矛盾，為了使兩種截然不同的結(jié)構(gòu)形式能夠很好地銜接，一種全新的結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)運(yùn)而生——轉(zhuǎn)換構(gòu)件。轉(zhuǎn)換構(gòu)件目前有四種類型應(yīng)用最為廣泛，分別為梁式轉(zhuǎn)換、板式轉(zhuǎn)換、桁架轉(zhuǎn)換、箱型轉(zhuǎn)換。此外除了上述幾種類型外，近幾年出現(xiàn)了柱式、搭接柱等新的轉(zhuǎn)換類型，并已成功應(yīng)用到工程實(shí)踐中。

對(duì)于梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的研究，目前已近成熟，應(yīng)用也最為廣泛。板式轉(zhuǎn)換作為一種由梁式轉(zhuǎn)換發(fā)展而來(lái)的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，并沒(méi)有比較全面的研究分析，特別是對(duì)于雙塔結(jié)構(gòu)這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)類型而言。而運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS分析此類結(jié)構(gòu)，不同參數(shù)變化下的對(duì)比分析，在國(guó)內(nèi)尚不多見。

1 雙塔結(jié)構(gòu)分析模型

1.1 ANSYS軟件分析單元

在劃分有限元模型時(shí)，選用BEAM4和SHELL63兩類單元。其中，BEAM4用來(lái)模擬梁、柱，SHELL63用來(lái)模擬樓板、轉(zhuǎn)換板、剪力墻等。

BEAM4為三維彈性梁?jiǎn)卧哂休S向拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)三個(gè)坐標(biāo)方向的線位移、繞三個(gè)坐標(biāo)系的軸向角位移。

SHELL63為殼單元，具有彎曲能力和膜力，能夠承受平面內(nèi)的荷載和法向荷載。每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)三個(gè)坐標(biāo)系方向的平動(dòng)和繞節(jié)點(diǎn)三個(gè)坐標(biāo)系軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

選用這兩類單元的主要原因：BEAM4和SHELL63單元的節(jié)點(diǎn)具有相同的自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)單元之間的連續(xù)和協(xié)調(diào)，能夠很好的實(shí)現(xiàn)單元之間力的傳遞，能夠合理模擬梁、柱、筒體、剪力墻之間的連接和傳力。

1.2 分析模型簡(jiǎn)介

基本模型：帶有厚板轉(zhuǎn)換的復(fù)雜高層建筑，結(jié)構(gòu)的大底盤為5層，底盤的層高均為4.2 m；左右兩個(gè)等高塔樓均為15層，塔樓的層高均取3.0 m。結(jié)構(gòu)的總高度為66 m，轉(zhuǎn)換板厚度取為1 500 mm。

主梁尺寸：1～5層為350 mm×700 mm，6～20層為250 mm×600 mm。

次梁尺寸：1～5層為250 mm×600 mm，6～20層為250 mm×500 mm。

樓板厚度：1～5層為120 mm，6～20層為100mm。

柱子尺寸：1～5層為1000 mm×1000 mm，6～20層為550 mm×550 mm。

剪力墻厚度：轉(zhuǎn)換層以下為300 mm，轉(zhuǎn)換層以上為200 mm。

各個(gè)構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)：1～5層，墻、柱為C50，梁、板為C40；轉(zhuǎn)換板為C50；6～20層統(tǒng)一取為C40。

鋼筋混凝土的密度，在建模時(shí)取統(tǒng)一采用2.5×106kg/mm3，材料假定為各向同性的線彈性材料，泊松比取為0.2。

對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的阻尼比取為0.05。

本論文分析時(shí)不考慮地基和上部結(jié)構(gòu)的相互作用，即認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)與地基固結(jié)，將上部結(jié)構(gòu)與地面接觸的框架柱、剪力墻的所有結(jié)點(diǎn)，均作固結(jié)處理。

采用ANSYS軟件建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)有限元模型

2 反應(yīng)譜分析

本工程按照8度設(shè)防烈度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20 g,取為Ⅱ類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組選為第二組，其場(chǎng)地特征周期為0.40 s，地震影響系數(shù)最大值αmax取為0.16，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。

分析采用兩個(gè)工況：工況一為沿結(jié)構(gòu)長(zhǎng)向的地震作用、工況二為沿結(jié)構(gòu)短向的地震作用。

振型在地震作用下計(jì)算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，本文按SRSS法進(jìn)行組合，得到結(jié)構(gòu)的最大地震作用力。

2.1 轉(zhuǎn)換板厚度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

板厚分別取1 000 mm、1 500 mm、2 000 mm三種工況進(jìn)行分析。得到不同板厚情況下，對(duì)應(yīng)的第一主應(yīng)力分布云圖，見圖2～圖4所示。

轉(zhuǎn)換板的最大主應(yīng)力隨板厚的增加逐步減小，最大值的位置比較固定，位于電梯井口的四個(gè)角。

板厚不同時(shí)的位移及層間位移角曲線，如圖5～圖6所示。

圖2 1000 mm厚板的第一應(yīng)力云圖分布

圖3 1500 mm厚板的第一應(yīng)力云圖分布

圖4 2000 mm厚板的第一應(yīng)力云圖分布

圖5 樓層位移曲線

圖6 樓層層間位移角曲線

從圖5、圖6可知，由于轉(zhuǎn)換板上下存在剛度突變，結(jié)構(gòu)的樓層位移及層間位移角曲線，均在轉(zhuǎn)換板位置即21 m處出現(xiàn)了一個(gè)明顯的拐點(diǎn)。這會(huì)導(dǎo)致豎向受力構(gòu)件在轉(zhuǎn)換板上下內(nèi)力較大。結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度很大，兩種工況下的最大層間位移角，均滿足規(guī)范中規(guī)定的框架-核心筒彈性層間位移角1/800的限值。轉(zhuǎn)換板厚度的增加，轉(zhuǎn)換構(gòu)件上部結(jié)構(gòu)位移角有增大的趨勢(shì)。隨著轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)板厚的增加，轉(zhuǎn)換板以下部分的曲線逐漸變陡，充分說(shuō)明各層的位移趨于相同，轉(zhuǎn)換板及下部形成了一個(gè)整體。

2.2 轉(zhuǎn)換板剛度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

以1 500 mm厚板雙塔模型為基準(zhǔn)，其他條件不變的情況下，改變轉(zhuǎn)換板剛度，分別采用0.5E、E、5E三種工況進(jìn)行分析比較。轉(zhuǎn)換板剛度不同時(shí)轉(zhuǎn)換板的第一主應(yīng)力分布云圖，如圖3、圖7、圖8所示。

圖7 0.5E轉(zhuǎn)換板的第一主應(yīng)力

圖8 5E轉(zhuǎn)換板的第一主應(yīng)力

轉(zhuǎn)換板剛度不同時(shí)的應(yīng)力云圖，隨著板剛度的增加，板的變形在逐漸減小，最大第一主應(yīng)力在逐漸增大，應(yīng)力的集中的位置變化不是很大。

雙塔結(jié)構(gòu)在其轉(zhuǎn)換板剛度不同時(shí)的位移及層間位移角曲線，如圖9、圖10所示。

從圖9、圖10可知，由于轉(zhuǎn)換板上下存在剛度突變，結(jié)構(gòu)的樓層位移及層間位移角曲線，都在轉(zhuǎn)換板位置處即21 m處出現(xiàn)了一個(gè)明顯的拐點(diǎn)。導(dǎo)致豎向受力構(gòu)件在轉(zhuǎn)換板上下內(nèi)力較大。結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度很大，兩種工況下的最大層間位移角，均滿足規(guī)范中規(guī)定的框架-核心筒彈性層間位移角1/800的限值。

圖9 樓層位移曲線

圖10 樓層層間位移角曲線

對(duì)比曲線可以看出：隨著轉(zhuǎn)換板剛度的增加，上下部分的突變?cè)絹?lái)越顯著；隨著轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)板厚的增加，轉(zhuǎn)換板以下部分的曲線逐漸變陡，充分說(shuō)明各層的位移趨于相同，轉(zhuǎn)換板及下部形成了一個(gè)整體；轉(zhuǎn)換板剛度的增加對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響不是很大。

2.3 轉(zhuǎn)換板位置變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

在其他條件不變的情況下，改變轉(zhuǎn)換板所處的位置，分別采用第五層、第四層、第三層三種工況，計(jì)算結(jié)構(gòu)的模態(tài)及反應(yīng)譜分析，對(duì)比說(shuō)明轉(zhuǎn)換板位置變化，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響。

轉(zhuǎn)換板所處位置不同時(shí)，產(chǎn)生的第一主應(yīng)力云圖，如圖3、圖11、圖12所示。

圖11 轉(zhuǎn)換板位于四層的第一主應(yīng)力

圖12 轉(zhuǎn)換板位于三層的第一主應(yīng)力

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)處于不同樓層位置時(shí)，它的位移及層間位移角曲線，見圖13、圖14所示。

圖13 樓層位移曲線

圖14 樓層層間位移角曲線

對(duì)比曲線可以看出：隨著轉(zhuǎn)換板位置的下移，上下部分的突變?cè)絹?lái)越顯著；隨著轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)位置的下移，轉(zhuǎn)換板以下部分的曲線逐漸變陡，充分說(shuō)明各層的位移趨于相同，轉(zhuǎn)換板及下部底盤形成了一個(gè)整體；轉(zhuǎn)換板位置的變化對(duì)上部結(jié)構(gòu)長(zhǎng)向的影響比對(duì)結(jié)構(gòu)短向的影響明顯。

2.4 底盤剛度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

在其他條件不變的情況下，改變底盤的整體剛度，分別采用0.5E、E、5E三種工況，計(jì)算結(jié)構(gòu)的模態(tài)及反應(yīng)譜分析，對(duì)比說(shuō)明底盤剛度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響。

第一主應(yīng)力分布云圖，如圖3、圖15、圖16所示。

圖15 底盤0.5E時(shí)的第一主應(yīng)力

圖16 底盤5E時(shí)的第一主應(yīng)力

圖17 樓層位移曲線

圖18 樓層層間位移角曲線

從圖13、圖14可知：由于轉(zhuǎn)換板上下存在剛度突變，結(jié)構(gòu)的樓層位移及層間位移角曲線，都在轉(zhuǎn)換板位置即21 m處出現(xiàn)了一個(gè)明顯的拐點(diǎn)。這會(huì)導(dǎo)致豎向受力構(gòu)件在轉(zhuǎn)換板上下內(nèi)力差別較大。結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度很大，兩種工況下的最大層間位移角，均滿足框架-核心筒彈性層間位移角1/800規(guī)范規(guī)定的限值。

對(duì)比曲線可以看出：隨著底盤剛度的增大，轉(zhuǎn)換板上下部分的突變?cè)絹?lái)越顯著；隨著底盤剛度的增加，轉(zhuǎn)換板以下部分層間位移角變小，轉(zhuǎn)換構(gòu)件下部結(jié)構(gòu)趨向于單自由度體系。而轉(zhuǎn)換板處的突變?cè)龃?，這對(duì)結(jié)構(gòu)抗震極為不利；與轉(zhuǎn)換板位置的變化對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響正好相反。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種參數(shù)的反應(yīng)譜分析，可以得出下面幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)對(duì)分析模型施加沿結(jié)構(gòu)長(zhǎng)向和沿結(jié)構(gòu)短向兩個(gè)分析工況，得出結(jié)構(gòu)在兩種工況下的位移及層間位移角曲線。觀察兩類曲線能夠清楚的看出，在設(shè)置轉(zhuǎn)換層的樓層出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，主要原因是厚板轉(zhuǎn)換層的質(zhì)量過(guò)于集中所致。對(duì)雙塔結(jié)構(gòu)取1/2模型得到的單塔模型，施加同樣的地震工況，分析得出的數(shù)據(jù)曲線，也有同樣的現(xiàn)象出現(xiàn)，該模型主要用于對(duì)比和校正數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(2)反應(yīng)譜分析的層間位移角均滿足規(guī)范中規(guī)定的彈性層間位移角限值。由第一強(qiáng)度理論知，轉(zhuǎn)換板的最大第一主應(yīng)力，小于結(jié)構(gòu)采用C50混凝土的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，充分說(shuō)明轉(zhuǎn)換板處于彈性工作階段，在七度地震作用下不會(huì)開裂，能夠滿足抗震設(shè)防要求。因此在八度區(qū)的應(yīng)用有一定的可行性。

(3)考慮了參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換板反應(yīng)譜分析的影響，這里選用了四個(gè)參數(shù)：轉(zhuǎn)換板厚、轉(zhuǎn)換板剛度、轉(zhuǎn)換板的位置、結(jié)構(gòu)的底盤。這四個(gè)參數(shù)的變化，均對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能產(chǎn)生了一定的影響。模型的自振頻率，隨著板厚的增加、板剛度的增大、板位置的下移、底盤剛度在逐漸增大。結(jié)構(gòu)分析中的轉(zhuǎn)換板的沉降，隨著板厚度的增加、板剛度的減小、轉(zhuǎn)換位置的下降，出現(xiàn)了減小的趨勢(shì)。

(4)經(jīng)過(guò)分析可知，轉(zhuǎn)換板中應(yīng)力的集中部位受板的厚度變化、板的剛度變化、板的位置變化、底盤剛度變化不是很大，一般都集中出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換板的所在樓層洞口及上層剪力墻中，并且在洞口的角部，其主應(yīng)力出現(xiàn)極大值，需要在設(shè)計(jì)中予以加強(qiáng)，也可以通過(guò)控制板的開洞率，來(lái)達(dá)到控制應(yīng)力的要求。

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