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

高位連體部分立面開洞結(jié)構(gòu)性能分析

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

摘要：高層建筑結(jié)構(gòu)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(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。本文基于SAP2000軟件采用有限單元法對結(jié)構(gòu)的整體工作性能進行分析，所得數(shù)值為工程實際提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：高位連體結(jié)構(gòu)；開洞；有限單元法

0　引言

高層建筑連體結(jié)構(gòu)是指兩個或多塔結(jié)構(gòu)在一定高度處設(shè)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(fù)雜，容易出現(xiàn)耦聯(lián)振動和扭轉(zhuǎn)過大的想象，結(jié)構(gòu)的動力特性復(fù)雜，屬于復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)。本文假定一個結(jié)構(gòu)模型，連接體和主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)果比較直觀，全面輸出結(jié)構(gòu)體系分析和設(shè)計的整體結(jié)果，準(zhǔn)確反應(yīng)單體結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)相互之間的影響力。

（1）結(jié)構(gòu)模型。本模型為20層的高位連體立面開洞結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)平面圖見圖1所示。其設(shè)計總高度為60m，層高取3m，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)外圍的維護材料采用玻璃幕墻，連接體的長度為9m；（2）結(jié)構(gòu)荷載的選取和計算模型。模型中，框架上的荷載假設(shè)成梁的線荷載，剪力墻上的荷載假設(shè)成線荷載，樓面的荷載假設(shè)成樓面的面荷載，不考慮活荷載的不利布置對結(jié)構(gòu)的影響，考慮地震作用的偶然偏心的影響，對于次梁不增設(shè)，僅設(shè)置主梁。將結(jié)構(gòu)各節(jié)點的軸力、剪力按照整體計算的原則進行，節(jié)點數(shù)均分。采用有限單元法對結(jié)構(gòu)進行離散化分析，連接體將兩個單體的大底盤大跨度結(jié)構(gòu)連接，其計算的基底為水平地面，梁柱皆假設(shè)成梁單元模型，剪力墻和樓板假設(shè)成板單元，連接體和兩單體建筑采用剛性支座。本結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防類別為乙類，地震作用的設(shè)防烈度取8度，設(shè)計的基本地震加速度為0.2g，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別Ⅱ，基本風(fēng)壓取0.55kN/m2，地面粗糙度為B類，確定反應(yīng)譜的地震影響系數(shù)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(jié)構(gòu)的阻尼比為0.05。

2　模態(tài)分析

一般規(guī)則性結(jié)構(gòu)，前幾階振型已滿足要求，而本模型的立面開洞、高位懸挑，結(jié)構(gòu)整體不規(guī)則，高振型階數(shù)的層間位移的變化越明顯，更能反映結(jié)構(gòu)對位移的真實影響，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的連體部分和開洞部分的變形明顯，結(jié)構(gòu)整體變形不協(xié)調(diào)，在體型突變處形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，柱子和梁容易屈服。第3振型以扭轉(zhuǎn)振型為主，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形十分明顯，立面開洞部位的扭轉(zhuǎn)比其他部位更加明顯，周邊的柱子變形過大，由于結(jié)構(gòu)在立面開洞和高位懸挑，使得結(jié)構(gòu)的抗扭性能降低，結(jié)構(gòu)的冗余度降低，由于下部結(jié)構(gòu)剛度小于上部結(jié)構(gòu)剛度，故在下部結(jié)構(gòu)突變部位形成薄弱層；洞口附近的主要構(gòu)件，其受力增加明顯，下層出現(xiàn)應(yīng)力擴散現(xiàn)象，其附近的剛度出現(xiàn)拐點，地震作用強烈，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯。

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

圖1　　結(jié)構(gòu)平面圖

圖2　　結(jié)構(gòu)振型圖

圖3　應(yīng)力圖

3　結(jié)束與建議

本文通過對立面開洞高位連體結(jié)構(gòu)的特點和受力性能簡述，著重研究了在地震作用下結(jié)構(gòu)的受力特點，結(jié)構(gòu)的動力特性和振動模態(tài)復(fù)雜，立面開洞部分構(gòu)件、高位連體部分構(gòu)件和周邊構(gòu)件在地震作用下的變形不協(xié)調(diào)，其抗變形能力差。通過比較全面深入的分析，基于SAP2000對結(jié)構(gòu)模型進行有限元分析，使結(jié)構(gòu)工程設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計。