采用悬臂连廊连接的连体结构 抗震性能评价及优化设计研究

兰国冠 许华南 黄清云 张 克

(龙岩学院资源工程学院， 福建 龙岩 364012)

当连体结构中各塔楼在体量及结构形式上差别较大时，采用传统的刚性连接形式则会出现复杂的相互耦联振动及较大的扭转效应，对结构的抗震性能产生不利影响。当连廊跨度不是特别大，且必须设置连廊时，建议采用悬臂连廊连接的双塔及塔连体结构。本次研究将针对连体结构在罕遇地震作用下的动力特性及震害机理进行分析，评价其抗震性能。以某高层商务大楼为例,采用ABAQUS有限元软件建立结构计算模型。通过模型，分析连体结构在7度罕遇地震条件下的弹塑性时程，观察其在罕遇地震作用下的塑性损伤、内力分布及整体变形情况。

1 罕遇地震作用下的弹塑性时程分析

对结构进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析计算，研究悬臂连廊对连体结构抗震性能的影响，包括罕遇地震下的顶点位移、层间位移、基底剪力等极值。其目的是研究结构在罕遇地震下的弹塑性行为，结构剪力墙、梁柱、楼板等结构构件的损伤及塑性应变影响。依据主要构件的塑性损伤程度及整体变形情况，评定结构是否满足“大震不倒”的设计标准要求[1-2]，针对结构薄弱部位及薄弱构件提出结构加强措施。

本次ABAQUS弹塑性分析采用基于显式积分的动力弹塑性分析方法[3]。钢材的动力硬化模型采用考虑包辛格效应的双线性动力硬化模型[4]，其中强屈比为1.25，极限塑性应变为 0.025，在循环过程中，无刚度退化现象。

建立混凝土材料弹塑性损伤模型，该模型考虑了材料拉压强度差异、刚度强度退化和拉压循环刚度恢复等因素[5]，其轴心抗压和轴心抗拉强度标准值均按《钢筋混凝土设计规范》[1]来设计。分别采用受压损伤参数dc和受拉损伤参数dt来表示混凝土材料刚度损伤，其参数值均由混凝土材料进入塑性状态的程度所决定，dc参照混凝土材料单轴拉压的滞回曲线取值。弹塑性损伤模型表示如下：

(1)

式中：εpl—— 混凝土受压塑性应变；

σun、εun—— 受压骨架曲线上的应力应变；

εc—— 混凝土的峰值应变；

η—— 受压损伤后的抗压刚度。

当荷载由受拉转为受压时，混凝土材料抗压刚度恢复至原有抗压刚度,裂缝闭合；当荷载由受压转为受拉时，混凝土的抗拉刚度不能恢复[6]。在图1所示混凝土拉压刚度恢复示意图中，横坐标ε表示混凝土应变，纵坐标σt表示混凝土应力。

图1 混凝土拉压刚度恢复示意图

2 结构抗震性能评价

结构抗震性能评价包括结构的总体变形要求及构件性能目标[7]。总体变形要求是：整个弹塑性时程分析过程不发散；结构主体的最大层间位移角小于规范限值；结构的最终状态竖立不倒。根据高层建筑混凝土结构技术规程，将结构抗震性能按照构件损坏程度 “无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”依次分为5个水准等级。ABAQUS软件构件的损坏程度如表1所示，其评定依据主要是钢材的塑性应变程度及混凝土的受压损伤因子[8-10]。

钢材屈服后的强度不会下降，应以塑性应变值作为衡量其损坏程度的主要指标。常用的Q345钢屈服应变约为0.002，假设钢材塑性应变为屈服应变的2、4、6 倍时分别对应轻微损坏、轻度损伤和中度损坏，则对应的塑性应变分别为 0.004、0.008 和 0.012。

表1 ABAQUS 软件中构件损坏程度

可用受压损伤因子Dc表示混凝土达到极限强度时出现的承载力下降及刚度退化程度，Dc与混凝土的刚度退化率及剩余承载力相对应，如受压损伤因子为0.2，表示抗压弹性模量已退化20%。 另外，当出现受压损伤时，混凝土承载力即开始下降，Dc值越大，表示混凝土剩余承载力越小。当Dc为0.4时，混凝土抗压承载力约下降40%。

对于杆单元模拟的梁、柱、斜撑等构件，构件中的混凝土若有受压损伤，必定造成构件承载力下降，属于中度损坏 — 比较严重损坏；而钢材塑性应变造成构件刚度退化时承载力不一定会下降，此时，可视钢材的塑性应变程度将其区分为轻微损坏 — 比较严重损坏。

对于以承受竖向荷载和抗剪为主的剪力墙构件，墙肢一般不满足平截面假定。即使边缘混凝土单元出现受压损伤，整体承载力也不会立即下降，其损坏判断标准应适当放宽。剪力墙的初始轴压比一般为0.5～0.6，当50%的横截面受压损伤因子为0.5时，构件整体抗剪和抗压承载力仍剩余75%左右，可承担重力荷载；因此，以剪力墙受压损伤横截面面积作为其严重损坏的主要判断标准。

连梁及楼板类似于剪力墙，以承担竖向荷载为主，具有双向传力性质，三者损坏程度判别标准也类似。

3 实例计算结果分析

某中塔悬臂的三塔连体结构，由A、B、C 塔楼共同组成(见图2)。其中，B塔楼为框架 — 核心筒结构。根据建筑外观及使用要求，在第20层到第24层设有通廊，在 B 塔楼主体左右两端分别设置悬挑钢桁架，左侧出挑 24 m，右侧出挑27 m，两端与 A 塔楼和C 塔楼相连。左侧桁架位于第20层 — 第24层(悬臂连廊共4 层)，钢桁架上弦杆所在楼面标高为 99 m，下弦杆所在楼面标高为 83.1 m，桁架高度为12 m。右侧悬挑桁架位于第20层 — 第22层，悬臂连廊楼层为2层，钢桁架上弦杆所在楼面标高为 92 m，下弦杆所在楼面标高为83.1 m，桁架高度为 9 m。楼面体系采用钢筋混凝土现浇梁/板体系。框架、剪力墙、悬挑钢桁架抗震等级均为二级。

图2 连体结构整体立面示意图

采用ABAQUS软件进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析(见图3)。取连体结构中间部分(B塔楼)进行分析，共选用3组地震波(见图4 — 图6)，其中2组为天然波，1组为人工波。

图3 悬臂式连体结构(B塔楼)的ABAQUS模型

图4 天然波 1 主方向时程曲线

图5 天然波 2 主方向时程曲线

图6 人工波主方向时程曲线

整体结构混凝土受压损伤显示(见图7)，结构中上部的剪力墙普遍出现局部受压损伤，损伤值大多小于0.1，为轻度损伤，而底部剪力墙保持完好，均未出现明显的受压损伤。

根据X、Y主方向层间位移角曲线显示(见图8、图9)，结构X、Y方向最大层间位移角均小于规范中1125的限值要求。

根据混凝土框架柱的受压损伤及梁损伤情况显示(见图10、图11)，在上部楼层框架的混凝土柱出现约小于0.1的受压损伤，下部楼层保持完好，大部分混凝土框架梁损伤值介于0～0.1。

图7 整体结构混凝土受压损伤

图8 x主方向层间位移角曲线

图9 y主方向层间位移角曲线

据第8、20层楼板混凝土受压损伤情况显示(见图12、图13)，第8层楼板的大部分受压损伤值小于0.1，为轻度损伤；受拉损伤主要集中于两边剪力墙之间，且两边剪力墙之间的楼板比其他部分更严重。第20层楼板在洞口边缘及楼板外边缘出现受拉损伤。

根据上述分析，对各构件的损伤评价如下：

图10 框架柱损伤情况

图12 第8层楼板混凝土受压损伤

图13 第20层楼板混凝土受压损伤

(1) 框架梁、柱损伤评价。大部分混凝土框架梁受压损伤为0～0.1，根据表1的评价标准，此损伤属于中度损伤；部分框架梁损伤大于0.1，为比较严重损伤，起到了较好的耗能作用，满足框架梁作为耗能构件的性能目标。在罕遇地震作用下，框架柱的下部楼层混凝土保持完好，上部楼层混凝土出现小于0.1的受压损伤，满足框架柱部分屈服的性能目标。

(2) 剪力墙的损伤评价。结构中上部的剪力墙普遍出现损伤值小于0.1的局部轻度受压损伤；底部剪力墙均未出现明显的受压损伤，整体上属于轻度损伤，在大震作用后，仍能发挥传递竖向荷载的作用，处于良好的工作状态，满足剪力墙大震下部分屈服的抗震性能目标。

(3) 楼板损伤及抗震性能评价。第8层楼板大部分为受压损伤值小于0.1的轻度损伤，两边剪力墙之间的楼板受拉损伤比其余部分严重。建议针对该区域楼板适当加厚并增大配筋率。第20层楼板大部分为受压损伤值小于0.1的轻度损伤，楼板在洞口边缘及楼板外边缘出现受拉损伤。建议针对该区域楼板适当加厚并增大配筋率。

4 结 语

在本次研究中，以某高层商务大楼为例,采用ABAQUS有限元软件建立结构计算模型，分析连体结构在7度罕遇地震条件下的弹塑性时程，观察其在罕遇地震作用下的塑性损伤、内力分布及整体变形情况。

(1) 根据层间位移角曲线，可知各条波作用下的时程曲线趋势基本一致，其中天然波加速度比人工波加速度稍小；最大层间位移角主要出现在第19层和第21层，在考虑大变形的条件下，最大层间位移角值总体上满足规范限值要求。

(2) 大震弹塑性基底剪力与小震弹性基底剪力比值为3.59～4.39，处于合理范围，结构具有较好的耗能能力。

(3) 大部分混凝土框架梁损伤属于中度损伤，部分框架梁损伤属于比较严重损伤，起到了较好的耗能作用。设计时框架梁应满足作为耗能构件的性能目标，同时应满足框架柱部分屈服的性能目标。

(4) 底部剪力墙保持完好，均未出现明显的受压损伤，仅部分出现轻度损伤。在大震作用后，剪力墙仍能发挥传递竖向荷载的作用，处于良好的工作状态，剪力墙设计应满足大震下部分屈服的抗震性能目标。

(5) 在罕遇地震条件下，楼板在洞口边缘及楼板外边缘出现明显拉裂。建议洞口边缘及楼板外边缘范围楼板适当加厚，或设置边梁、楼板双层双向配筋，并适当加大配筋率。