连体结构的抗震抗震性能分析与设计

2014-10-21金成

建筑遗产 2014年7期

金成

摘要：连接体是连体结构的关键部位，在地震作用下，它所承受的不仅有竖向荷载产生的力，而且还有协调2个塔楼振动变形而产生的拉、压、弯、剪力，因此，对连接体的抗震性能分析也是研究连体结构抗震性能的一个重要的部分。本文对连体结构的抗震抗震性能与设计进行了分析探讨。

关键词：高层建筑；连体结构；弹性时程；静力弹塑性

1.工程概况

本工程地下一层，局部核六级人防。地上主楼共两座，分别为二十一层和十八层，主体结构高度为79.8米及69.0米。在十四～十六层设连廊办公空间，因此形成了双塔连体结构。工程鸟瞰图及结构标准层平面布置图如下图。

自然条件和设计依据如下：

（1）建筑设防类别：丙类；建筑抗震设防烈度为7 度0.15g，

（2）设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，，设计特征周期为0.45s

（3）地面粗糙度为B 类，基本风压按100 年一遇的风压并考虑相邻建筑的相互干扰增大系数[1]，取0.65kN/m2。

2. 结构方案

结合建筑布置，主体采用框架-剪力墙结构体系。为控制单塔的扭转效应在各塔楼的四周布置双向剪力墙；同時在楼梯、电梯间周围布置剪力墙形成了抗扭刚度较大的内筒。为了尽量减小两个塔楼的刚度差异，适当减小右侧塔楼的材料强度及剪力墙厚度；从而减小由于两个塔楼刚度差异过大而产生的扭转。

连接体是连体结构中一个重要组成部分，其主要作用是在整个结构中协调2个塔楼的变形。由于各塔楼的刚度及质量不同，结构的振动特性和变形也不同，要协调两塔的变形，连接体必然要受到很大的作用力；所以连接体与塔楼应该有非常可靠的连接。通常的连接形式有刚接、铰接、弹性连接。本工程连接体与主楼采用刚性连接。为便于连接体支座设计及减轻连接体自身重量，本工程连接体采用由型钢混凝构件组成的桁架。连接体平面布置详图3；立面布置详图4。

3.结构整体计算分析

3.1 计算模型及主要参数

结构整体计算分析采用中国建筑科学研究院SATWE及PMSAP两种程序（本文并未列出PMSAP的计算结果），并采用SATWE所带的时程分析功能进行多遇地震下的补充分析计算。用EPDA软件进行在罕遇地震作用下的静力弹塑性分析。振型组合数为30，质量参与系数>90%。周期折减系数取0.8。楼板假定：计算周期和位移时采用刚性楼板假定；计算杆件内力和截面设计时采用真实反映楼板平面内刚度的假定，即连体部分的楼板定义为弹性膜[3]。

3.2 反应谱分析结果

3.2.1 结构自振周期

由表1可以看出结构的T3/T1及T3/T2的比值均较小于0.8，说明结构的抗扭刚度较强；但由于连体结构的存在结构结构自身的扭转作用较明显。查看结构的整体振动图，发现第二振型的平动效应更加明显因此同时对T3/T2进行了计算，其结果小于0.8进一步说明了该结构整体抗扭刚度较强。

3.2.2 刚度及承载力比

由刚度比及承载力比的结果可以看出该结构属竖向规则结构。

3.2.3 扭转位移比

由图6可以看出结构X向抗扭刚度较强扭转位移比均小于1.2，结构Y向抗扭刚度虽然大于1.2但并未超出1.4。连接体的存在造成结构在该处楼层的扭转位移比略有增大。

3.2.4 地震作用下结构基底剪力及倾覆力矩

图7显示了框架及剪力墙的楼层剪力及倾覆弯矩分布。高规要求框架应具有承担至少20%地震剪力的能力以保证实现双重抗侧力系统。高规规定对不满足要求的框架进行了内力放大，采用放大后的内力对框架的承载能力进行设计。结果显示框架承受的地震倾覆力矩小于总地震倾覆力矩的50%，因此框架部分的设计按照框架剪力墙结构的相关要求进行。

3.3 弹性时程分析的补充验算

根据场地土动力特征Tg = 0.45s，选取了一条人工波RH1TG045和两条天然波TH1TG045、TH2TG045进行弹性时程分析：地震波持续时间不小于结构基本周期的5倍，小震地震加速度各分量的取值为（各方向分量取1∶ 0.85∶ 0.65）、主分量方向55cm/s2、次分量方向46.75 cm/s2、竖向分量方向3775 cm/s2。计算结果如图10、图11所示。从图中可以看出：三条波计算得到的两个方向的基底剪力均不小于CQC 方法计算结果的65%，其平均值不小于CQC 方法计算结果的80%，计算得到的两个方向层间位移角分别为1/1 973，1/1649，满足规范要求。由图9可以看出结构在上部楼层受高振型的影响，部分时程的楼层剪力结果要大于反应谱，但各条时程波的剪力平均值仍小于反应谱。

3.4 罕遇地震作用下弹塑性分析

考虑到工程的重要性及复杂性，采用EPDA 程序进行了罕遇地震下的静力弹塑性性分析。侧推荷载选择弹性CQC地震剪力，结果显示X向、Y向的需求层间位移角为1/153、1/196均小于规范规定的限值（1/100）因此该结构罕遇地震下的变形满足要求。

4. 结构抗震性能评估及构造加强

由以上分析结果可以看出：该结构竖向规则，抗扭刚度良好，框架与剪力墙剪力分担比合理；计算各项指标均满足规范要求。考虑到该结构的复杂性从概念设计角度对该结构进行了构造加强：

（1）对框架柱考虑0.2Q0的调整进行设计；对角柱及与其相连的框架梁在考虑0.2Q0后仍进行适当加强。

（2）连接体所在层的楼板加厚至150mm，并采双层双向配筋。最小配筋率不小于0.3%。

（3）与连接体相连的梁（并延伸1跨）和柱提高一级抗震等级；与连接体直接相连的柱采用钢骨混凝土柱，钢骨向连接体以下延伸2层，所有钢骨柱箍筋均全层加密。

（4）连接体所在层的下一层，混凝土强度适当提高，进行构件设计时按薄弱层进行处理对全层剪力放大1.15倍。（5）考虑高振型的影响，对顶部楼层，进行构件设计将剪力放大10%。

5.结束语

（1）连体高层建筑的塔楼结构布置宜对称或相近，当受限建筑布置无法改变时结构应采取相应措施来使各塔楼间刚度尽可能接近，应适当增加各塔楼的抗侧刚度和扭转刚度；

（2）连体结构应采取多种适合的程序计算比较，并采用弹性时程分析对反应谱法作补充验算，同时还需进行罕遇地震作用下弹塑性分析；

（3）为使连接体能更好的协调两侧塔楼，连接体的楼板有效宽度应足够，当长宽比过大时应进行连接体处楼板的应力分析；