某不等高連體結(jié)構(gòu)抗震性能分析

陳建君 （廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)高層建筑的發(fā)展，連體結(jié)構(gòu)因其具有獨(dú)特的建筑體型和使用功能（通行、觀光、休閑等）被廣泛應(yīng)用。高層連體結(jié)構(gòu)其自身動(dòng)力特性存在明顯的平扭耦聯(lián)效應(yīng)，地震作用下連體結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、破壞形式多樣，因此也被定義為復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對(duì)此類結(jié)構(gòu)抗震性能的分析與評(píng)估成為工程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[1-2]。本文將以某不等高連體結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程為研究對(duì)象，探討不等高連體結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)的流程與方法，為不等高連體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 工程概況

本工程結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)辦公樓組成的不等高連體結(jié)構(gòu)，A 塔（低塔）地上19層，結(jié)構(gòu)高度87m；B 塔（高塔）地上32層，結(jié)構(gòu)高度145m；兩塔樓標(biāo)準(zhǔn)層層高均為4.5m，結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖1，在17～19 層設(shè)置連廊連接兩塔樓，三層連體部分建筑功能分別為設(shè)備夾層、辦公層以及連接體屋頂花園。

圖1 計(jì)算模型示意圖

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 年，建筑安全等級(jí)為二級(jí)；塔樓部分均采用“框架-核心筒結(jié)構(gòu)”，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類；基本風(fēng)壓0.75kN/m2（50 年重現(xiàn)期），地面粗糙度為C 類。按設(shè)防烈度7 度（0.10g）確定剪力墻及框架的抗震等級(jí)：A 塔（低塔）連體相關(guān)層（16～19 層）為一級(jí)，其它為二級(jí)；B 塔（高塔）連體相關(guān)層（16～20層）為特一級(jí)，其它為一級(jí)。地下室頂板板厚為180mm，剛度比大于2，取頂板為上部連體結(jié)構(gòu)的嵌固端。

2 連接方案比選

A、B 塔樓在17～19 層設(shè)置連廊連接形成不等高連體結(jié)構(gòu)，連接體分別連接高塔弱軸與低塔強(qiáng)軸方向，共設(shè)三層樓面板連接（連接體樓板中間開洞），連接體跨度約為17m，連體部分采用鋼空腹桁架，樓面板采用組合樓板，并在連體部分樓板面內(nèi)設(shè)置對(duì)角鋼撐，以提高連體部分的抗震性能[3]。

2.1 振型分析

通過對(duì)無連接體、兩端剛接、一端剛接一端彈性連接三種方式的連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行振型分析，其中不同連接方式的周期與振型詳見表1，結(jié)果如下。

表1 連體結(jié)構(gòu)不同連接方式的周期與振型分析

①不設(shè)連接體：兩棟塔樓振型基本獨(dú)立，由于底部裙房體量與高度相對(duì)塔樓較小，裙房可不分縫處理。

②兩端剛接：相對(duì)于不設(shè)連體結(jié)構(gòu)，整體頻率增大，整體剛度加強(qiáng)，但由于A、B 塔樓高度與剛度均相差太大，存在剛度突變問題，且整體結(jié)構(gòu)低階振型相互耦合的現(xiàn)象明顯，第三振型為結(jié)構(gòu)平動(dòng)與扭轉(zhuǎn)相互耦合，振型復(fù)雜多變[4]。

③一端剛接一端彈性連接：連體結(jié)構(gòu)低階振型相對(duì)獨(dú)立，第一、第二振型是以高塔為主的平動(dòng)振型，第三振型是以高塔為主的扭轉(zhuǎn)振型，第四振型才出現(xiàn)兩塔相互耦合的現(xiàn)象。

2.2 動(dòng)力響應(yīng)分析

對(duì)比不同連接方式的連體結(jié)構(gòu)，連接剛度對(duì)高塔的底部剪力影響較小；連接剛度對(duì)低塔底部剪力影響較大，且兩端剛接時(shí)A 塔底部剪力遠(yuǎn)大于另外兩種連接方式；采用一端剛接一端彈性連接，相對(duì)于無連接體的動(dòng)力響應(yīng)變化不大；在設(shè)置連接體的基礎(chǔ)上減小了連接體對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響，且水平側(cè)移最小。不同連接方式的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果，見表2。

表2 連體結(jié)構(gòu)不同連接方式的動(dòng)力響應(yīng)分析

綜上所述，采用一端剛接一端彈性連接，既滿足了建筑連體的需求，又合理地協(xié)調(diào)了塔樓剛度，比較經(jīng)濟(jì)合理。連接體鋼梁與B 塔在18 層、19 層、20 層剛接，在A 塔18 層設(shè)置懸挑型鋼梁，并設(shè)置隔震支座與連接體彈性連接，連接體19 層、20 層端部與A 塔設(shè)置抗縫脫開。塔樓結(jié)構(gòu)平面布置圖、連體桁架剖面示意圖分別見圖2、圖3。

圖2 A、B塔連體樓層結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 連體樓層剖面示意圖

3 超限情況與抗震性能目標(biāo)

結(jié)構(gòu)主要的超限情況：兩個(gè)塔樓高度不一致，A 塔樓在17～19 層與B 塔樓連接形成連體結(jié)構(gòu)，屬于復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)；B 塔樓主體結(jié)構(gòu)高度為145m，超過框架核心筒結(jié)構(gòu)規(guī)范限值130m，屬于超A級(jí)高度結(jié)構(gòu)[5]。根據(jù)超限情況，本工程結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)按達(dá)到C 級(jí)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)詳細(xì)要求見表3。

表3 連體結(jié)構(gòu)不同連接方式的動(dòng)力響應(yīng)分析

4 小震彈性分析

4.1 主要分析結(jié)果

采用YJK 及ETABS 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震及風(fēng)荷載作用下的彈性對(duì)比分析。小震作用時(shí)，塔樓部分阻尼比取0.05，基于ETABS 軟件，采用加權(quán)阻尼來考慮連體部分鋼結(jié)構(gòu)對(duì)整體結(jié)構(gòu)阻尼的影響，對(duì)比分析結(jié)果見表4。從表4中可以看出結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范的要求，且不同軟件的相對(duì)誤差均小于15%，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量與基地剪力相對(duì)誤差小于5%，說明兩種軟件的計(jì)算結(jié)果比較吻合且可靠。

表4 連體結(jié)構(gòu)不同連接方式的動(dòng)力響應(yīng)分析

由模態(tài)分析結(jié)果可知，第一、第二周期是以高塔為主的平動(dòng)振型，第三周期是以高塔為主的扭轉(zhuǎn)振型，且周期比均小于0.85。通過對(duì)不同連接方式連體結(jié)構(gòu)整體分析可知，在A、B 塔樓之間采用一端剛接一端彈性連接的方式能有效解決結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)與剛度突變問題；結(jié)構(gòu)最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.18，小于規(guī)范限值1.20，滿足規(guī)范對(duì)扭轉(zhuǎn)的要求。

在連體模型的基礎(chǔ)上，分別對(duì)比分析A、B 塔樓的層間位移角曲線如圖4 所示。層間位移角在B 塔的連體相關(guān)樓層存在明顯的突變，在Y 向風(fēng)荷載作用下B塔層間位移角接近變形限值，B塔層間位移角值從連體層到頂層均有回縮；而A 塔無論是風(fēng)還是地震作用下層間位移角均遠(yuǎn)小于變形限值。總的來說，結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于1/650，滿足規(guī)范要求，但在連體樓層應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)高塔的抗側(cè)剛度，特別是連廊與高塔連接的方向，以減少連廊帶來的層間位移角突變的問題。

圖4 結(jié)構(gòu)在小震與風(fēng)作用下的層間位移角

A、B 塔樓的抗剪承載力之比沿樓層的分布如圖5 所示。由于采用一端剛接一端彈性連接，A、B 塔樓在實(shí)現(xiàn)連體方案的前提下依然保持各自塔樓的結(jié)構(gòu)特性，抗剪承載力之比滿足規(guī)范限值。但因連接體的設(shè)置還應(yīng)核查兩個(gè)塔樓在連體首層與連體下層的抗剪承載力之比，經(jīng)核查B 塔在連體相關(guān)樓層剪承載力之比最大值為1.42，屬于抗剪承載力突變。應(yīng)該對(duì)連接體上下各一層的構(gòu)件進(jìn)行抗剪加強(qiáng)設(shè)計(jì)，以防止地震作用下的剪力突變效應(yīng)。

圖5 結(jié)構(gòu)在小震與風(fēng)作用下的剛度比與抗剪承載力之比

4.2 小震彈性時(shí)程分析

4.2.1 地震動(dòng)記錄的選取

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）（簡(jiǎn)稱“《抗規(guī)》”）的規(guī)定，選取7條時(shí)程曲線，其中5組天然地震動(dòng)選自美國(guó)太平洋地震研究中心數(shù)據(jù)庫(kù)（PEER），另外2 組為人工地震動(dòng)。地震動(dòng)信息如表5所示，7條地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜的對(duì)比見圖6。

表5 地震動(dòng)記錄信息

圖6 反應(yīng)譜與各時(shí)程波譜對(duì)比情況

4.2.2 時(shí)程分析法與反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

各時(shí)程工況底部剪力與CQC 法比值詳見表6，7 條波計(jì)算得到的平均剪力值與各條波分別作用下的底部剪力值與振型分解反應(yīng)譜法相比，比值均滿足規(guī)范要求。

表6 各時(shí)程工況底部剪力與CQC法比值

彈性時(shí)程分析圖形結(jié)果見圖7，從計(jì)算結(jié)果來看，對(duì)于A 塔，7 條地震波對(duì)應(yīng)的層剪力平均值在A 塔X 方向全樓層與Y 方向的頂部4 層均大于CQC 計(jì)算值；對(duì)于B 塔，7 條地震波對(duì)應(yīng)的層剪力平均值在B 塔頂部10 層與Y 方向的底部4 層大于CQC 計(jì)算值。因此，在多遇地震計(jì)算時(shí)，需要對(duì)時(shí)程分析層剪力平均值大于CQC 計(jì)算值的樓層的地震作用進(jìn)行相應(yīng)的放大，其他層不需要放大。

圖7 彈性時(shí)程分析圖形結(jié)果

5 中震（設(shè)防烈度地震）抗震性能分析

根據(jù)設(shè)定的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)，塔樓底部加強(qiáng)區(qū)豎向構(gòu)件、連接體部分、AB 塔連體樓層相鄰一跨框架梁、框架柱為關(guān)鍵構(gòu)件。對(duì)于AB 塔底部加強(qiáng)區(qū)與連體相關(guān)樓層豎向關(guān)鍵構(gòu)件選取有代表性的豎向構(gòu)件對(duì)其承載力進(jìn)行復(fù)核，豎向構(gòu)件平面位置見圖8，計(jì)算結(jié)果見圖9、圖10。

圖9 A塔中震作用下構(gòu)件承載力驗(yàn)算（以KZ1與Q1為例）

圖10 B塔中震作用下典型構(gòu)件承載力驗(yàn)算（以KZ1與Q1為例）

計(jì)算結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)在中震作用下，AB 塔樓底部加強(qiáng)區(qū)、連體A 塔懸挑梁、連體樓層連體及內(nèi)伸兩跨框架梁、框架柱等關(guān)鍵構(gòu)件均未達(dá)到屈服狀態(tài)，可以滿足抗彎不屈服，抗剪彈性的抗震性能目標(biāo)；其他普通豎向構(gòu)件也滿足預(yù)設(shè)的抗震性能目標(biāo)，且承載力都具有一定的富裕度；標(biāo)準(zhǔn)層框架梁、連梁抗彎基本不屈服，個(gè)別連梁抗彎發(fā)生屈服，但其抗剪未達(dá)到屈服狀態(tài)。因此，本工程結(jié)構(gòu)在中震作用下屬于輕度損壞，符合抗震性能要求。

6 大震彈塑性分析

為對(duì)結(jié)構(gòu)在大震下的抗震性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，本工程通過YPaco 軟件選取的3條地震波（GM1、GM2、GM6）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。三條地震波曲線及其反應(yīng)譜分析曲線如圖11 所示，在結(jié)構(gòu)周期段3 條地震波反應(yīng)譜與規(guī)范譜匹配度高；經(jīng)前文小震彈性時(shí)程分析，3 組時(shí)程工況的基底剪力與CQC 法的比值均滿足規(guī)范選波的要求。各波均采用反應(yīng)譜值較大的分量作為主方向輸入，峰值加速度取0.22g（罕遇地震），并以結(jié)果最大值進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估。

圖11 大震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角圖

經(jīng)過大震彈塑性分析，整體結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果見表7。A 塔樓X 向與Y 向最大層間位移角分別為1/198、1/302，分別出現(xiàn)在低塔的9 層和6 層；B 塔樓X向與Y 向最大層間位移角分別為1/163、1/158，分別出現(xiàn)在高塔的18 層和20層，結(jié)構(gòu)層間位移角曲線見圖11，兩塔層間位移角均滿足規(guī)范限值。大震作用下A、B 塔樓的X 向總基底剪力為79836kN，Y 向總基底剪力為76168kN。大震與小震地震加速度峰值比為6.29，而大震與小震基底剪力的比值為4.35(X向)與4.85(Y 向)，由此可知大震作用下結(jié)構(gòu)具有一定的耗能能力。

表7 A塔動(dòng)力彈塑性時(shí)程計(jì)算主要結(jié)果

對(duì)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，大震作用下多數(shù)的框架梁與連梁進(jìn)入了屈服狀態(tài)。連梁多數(shù)為“中度破壞”；少數(shù)（約占10%）發(fā)生“嚴(yán)重破壞”；框架梁多數(shù)破壞程度為“輕度”，且發(fā)生屈服的梁在多數(shù)樓層都有分布，起到了較好的耗能作用[6]。對(duì)豎向構(gòu)件大震作用下混凝土損傷情況如圖12，豎向構(gòu)件損傷的范圍和位置與預(yù)判相同，墻肢拉損傷主要出現(xiàn)在底部，暗柱、型鋼及柱內(nèi)。總的來說，核心筒墻肢多數(shù)破壞程度為“輕度損壞”，少數(shù)為“中度損壞”，框架柱僅少數(shù)出現(xiàn)“輕度損壞”，能滿足既定的性能目標(biāo)。

圖12 大震作用下混凝土損傷分布圖

7 結(jié)束語(yǔ)

本工程的超限項(xiàng)主要為復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)及高度超限，本文通過對(duì)不等高連體結(jié)構(gòu)的連接方案的比選以及抗震性能化設(shè)計(jì)與分析，主要結(jié)論如下。

①對(duì)于不等高連體結(jié)構(gòu)，采用一端剛接一端彈性連接，既滿足了建筑功能需求又協(xié)調(diào)了塔樓剛度，能從整體結(jié)構(gòu)層面有效解決結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)與剛度突變問題，較為經(jīng)濟(jì)合理。

②對(duì)于不等高連體結(jié)構(gòu)應(yīng)該對(duì)其連體樓層以及連體上下各一層進(jìn)行抗剪加強(qiáng)，減小剛度保證結(jié)構(gòu)具有良好的抗側(cè)性能和抗扭轉(zhuǎn)能力。

③通過對(duì)不等高連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析表明，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)整體倒塌與局部過大變形的趨勢(shì)，能確保在大震作用下符合關(guān)鍵構(gòu)件承載力要求的同時(shí)，充分發(fā)揮框架梁與連梁的延性，保證結(jié)構(gòu)具有良好的耗能能力，從而實(shí)現(xiàn)大震不倒的性能目標(biāo)。