■易 帆 ■西南石油大學土木工程與建筑學院,四川 成都 610500
近年來,隨著我國經(jīng)濟的不斷發(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)、帶加強層結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)、豎向體型收進、懸挑結(jié)構(gòu)和錯層結(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)在地震中破壞嚴重,連接體本身塌落較多,同時主體結(jié)構(gòu)中與連接體相連的部分構(gòu)件破壞嚴重。因此,研究大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)的動力特性及地震反應(yīng)具有非常明顯的現(xiàn)實意義及工程指導(dǎo)意義。本文通過PKPM軟件建立了四個連體位置不同的大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)模型,分別對其進行模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析和時程分析,尋找出連體位置的合理布局,以供同類工程參考。
通過PKPM軟件建立了四個大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)模型,通過對計算結(jié)果的提取分析,得到結(jié)構(gòu)的振動特性及地震反應(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)計基本地震加速度值為0.15g,場地類別為Ⅱ類,設(shè)計地震分組為第二組,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。
采用PKPM軟件計算結(jié)構(gòu)的動力特性,計算振型個數(shù)取18,通過對計算結(jié)果進行分析得出:(1)四個計算模型X向和Y向的有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%,因此所取振型個數(shù)滿足我國規(guī)范要求;(2)四個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較大;(3)模型1、2、3的一階振型均為純粹的Y向平動而模型4的一階振型為純粹的X向平動,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)四個模型均存在明顯的平扭耦聯(lián)現(xiàn)象且均為與Y向平動耦聯(lián)。(5)四個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,而當連體設(shè)置在距樓層頂部1/3處時(模型2),其周期減小最多。
應(yīng)用PKPM軟件對四個計算模型分別求解,得出其在X和Y向的樓層位移及剪力,并進行對比分析,由計算結(jié)果表明左塔和右塔的變形為對稱變形,變形協(xié)調(diào),故在進行位移分析時作為單塔進行分析。
進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,而當連體設(shè)置在距樓層頂部1/3處時(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向的剛度貢獻較大,而對Y向的剛度貢獻較小;(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,造成豎向剛度突變,設(shè)計時應(yīng)注意加強;(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,在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)采取有效加強措施。
本文選用Taft地震波進行結(jié)構(gòu)的彈性動力時程分析,該波是強震實測記錄,加速度峰值為175.71cm/s2,適用于Ⅱ類場地,持續(xù)時間為54.4s,時間間隔為0.02s。經(jīng)過計算后,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)計意義上相符,且由地震波計算的基底剪力大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(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向的剛度貢獻較大,而Y向的剛度貢獻較小;(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)計時應(yīng)注意加強;(4)當連體設(shè)置在距樓層頂部1/3處時(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%。
通過建立四個大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)的模型,并對其自身的動力特性及振型分解反應(yīng)譜法和彈性動力時程分析法下的位移、速度、加速度和內(nèi)力進行對比分析,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向的剛度貢獻較大而Y向剛度貢獻較小。(3)當結(jié)構(gòu)設(shè)置有連體時,結(jié)構(gòu)的樓層剪力會在連體部位突然增大形成結(jié)構(gòu)薄弱部位,設(shè)計人員在設(shè)計時應(yīng)注意采取加強措施,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),當連體布置在距樓層頂部1/3處時,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)學院學報,2014,22(3):1 -5.
[3]李雅婷.水平地震激勵下雙塔連體結(jié)構(gòu)受力影響因素研究[D].北京:北京建筑大學,2014.
[4]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(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程分析研究[C].首屆全國建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會論文集,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,2008.
[7]熊丹安.抗震設(shè)計簡明教程[M].廣州:華南理工大學出版社,2006.