地震作用下双塔连体结构塔楼刚度对结构受力性能影响研究

来源:用户上传      作者: 谭光宇　沈蒲生

　　摘 要：随着高层建筑连体结构在工程领域中的广泛应用，连体结构的受力性能研究显得日益重要，特别是连接体受力极其复杂。本文研究了这种新型结构形式的结构特点、受力性能以及抗震性能，比较全面和深入地研究了连体结构两侧塔楼刚度变化的受力特点以及对结构整体抗震性能的影响分析。分析结果表明，当塔楼刚度不对称时，结构扭转效应非常明显。
　　关键词：双塔； 非对称； 连体结构； 位移； 周期； 扭转
　　
　　中图分类号：TU311.2
　　文献标识码：B
　　文章编号：1008-0422(2008)04-0124-03
　　
　　1前言
　　
　　随着建筑科技的日益进步，高层连体结构作为近十几年发展起来的一种新型结构型式，受到了广泛的关注。连体结构一方面通过设置连廊将不同建筑物连在一起，方便两者之间的联系；另一方面由于连体结构独特的外形带给人们强烈的视觉冲击，可以使建筑更具特色。在当今的建筑形式中，连体建筑大多是以建筑地标的形式出现在人们的视野。
　　
　　2连体结构基本平衡微分方程
　　
　　2.1 基本假定
　　针对多塔连体结构的特点，为减少计算工作量，做如下假定：
　　2.1.1 将大底盘及上部塔楼划分为子结构，在每个子结构范围内，楼板平面内刚度视为无限刚性。
　　2.1.2 各子结构由框架、剪力墙、薄壁筒和楼板组成，它的截面尺寸及层高在每个子结构范围内均匀不变。
　　2.1.3 各塔楼子结构间的连接结构由梁、柱和楼板组成，它们的截面尺寸及层高在每个连接结构范围内均匀不变。
　　2.1.4 各子结构的质量在每子结构范围内沿高度方向均匀分布。连接结构的质量并入各子结构内。
　　2.2 基本平衡微分方程
　　基本平衡微分方程如下：
　　（2.1）
　　式中
　　
　　3算例分析
　　
　　3.1 算例及荷载工况
　　我们将通过下面两个算例来表明塔楼刚度变化对结构受力性能的影响。
　　[算例1]结构平面图见图1、图2，立面简图见图5。结构形式为框架剪力墙结构，共30层，层高均为3.0m。连接体跨度21.60m，采用钢桁架结构，与两侧塔楼刚接。柱截面为800mm×800mm，剪力墙厚300mm，混凝土强度等级C40。分析其在地震作用下位移、振型和结构自振周期的影响。
　　[算例2]结构平面图见图3、图4，立面简图见图5。左塔为剪力墙结构，右塔为框架结构。共30层，楼层层高均为3.0m。连接体跨度21.60m，采用钢桁架结构，与两侧塔楼刚接。柱截面为800mm×800mm，剪力墙厚300mm，混凝土强度等级C40。分析其在地震作用下位移、振型和结构自振周期的影响。
　　荷载工况
　　梁上均布荷载10kN/m，楼面恒荷载4kN/m2，楼面活荷载2kN/m2。抗震设防烈度7度，基本地震加速度0.10g。场地土类别Ⅱ类，设计地震分组为第一组。地震时程分析采用Elcentro波。
　　3.2 刚度变化对连体结构位移的影响分析
　　通过两个算例的比较分析，我们可以得出荷载相同的情况下，两个结构各楼层在地震作用下的最大位移图。其位移曲线见图6、图7。
　　从图6可以看出，对称双塔连体结构在x 向地震作用下最大位移曲线呈剪切型，结构最大位移发生在顶层。而双塔刚度不对称时，左塔最大位移曲线和对称双塔类似，结构最大位移也发生在顶层；右塔由于结构刚度较小，其最大位移发生在18层左右。由于连接体对右塔的约束，我们可以看出，结构x向的最大位移都要小于y向地震作用下的结构的最大位移。
　　从图7可以看出，对称双塔连体结构在y 向地震作用下最大位移曲线呈弯剪型。而双塔刚度不对称时，由于右塔刚度较小，其在地震作用下的位移远大于左塔。同时，由于两个塔楼最大位移相差较大，会对连接体部分产生较大的扭转协调变形。虽然连接体对塔楼产生变形协调，但由于连接体本身的偏转位移，在y向地震作用下结构连接体部位最大位移不会相等。在地震作用下，连接体与塔楼的连接部位的设计应该得到加强。
　　图8为对称双塔结构中跨连接体在地震荷载作用下梁弯矩时程曲线，图9为不对称连体结构相应位置梁弯矩时程曲线。
　　图10为地震作用下楼层剪力图，图11为地震作用下楼层弯矩图。从这两图可以看出，不论是楼层剪力还是楼层弯矩，刚度不对称时内力值均大很多。因此，在结构设计时应尽量避免。
　　3.3 刚度变化对连体结构振型的影响分析
　　图12和图13中的振型依次为两个算例的前18阶振型，实线代表左塔振型曲线，虚线表示右塔振型曲线。从图12可以看出，对于对称连体结构，振型基本具有对称性，不是正对称的，就是反对称的。这种同向或反向的振型，对于结构上部采用刚性连接的连体结构，其对结构产生的影响是有利的。图13为刚度不对称双塔连体结构振型图，从该图可以看出：由于结构刚度不对称，前18个振型几乎没有对称振型。
　　图13中，可以很明显的看出后面几阶振型两侧塔楼完全不同，如第18阶振型，左塔为二阶振型，而右塔为四阶振型，结构不仅发生整体振动，两侧塔楼还分别发生绕自身刚心的振动。第一振型左塔振幅很小，右塔以左塔为中心发生扭转振动，在这种振型作用下，连接体受力性能非常复杂，将产生弯、剪、扭的共同作用，对结构抗震非常不利。
　　
　　4结论
　　
　　通过以上分析，对于地震作用下的高层连体结构塔楼刚度变化对结构受力性能的影响，可以得出如下结论：
　　4.1对于刚度不对称连体结构，由于两个塔楼最大位移相差较大，会对连接体部分产生较大的扭转协调变形。
　　4.2在地震作用下，刚度不对称连体结构地震用效应明显增大。
　　4.3刚度不对称时，连接体受力性能非常复杂，将产生弯、剪、扭的共同作用，对结构抗震非常不利。
　　
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