山西大剧院消能减震结构的计算分析

侯志豪 李 九

(山西省建筑设计研究院，山西太原 030013)

0 引言

山西大剧院建筑总面积约7．3万m2，主体建筑高约57 m，长约210 m。大剧院6．40 m平台下1层，局部2层，6．40 m平台上主体6层，局部10层。平台下层高6．40 m，平台上各层层高5．00 m。建筑主要功能为剧场、音乐厅、展览大厅、屋顶观景平台等。大剧院造型新颖现代，创意体现“山西之门”立意，是太原市长风商务岛的标志性建筑。

整体结构的示意图见图1。

图1 山西大剧院效果图

1 结构体系

1．1 楼面结构体系

塔楼主要楼层采用现浇钢筋混凝土楼板，大跨度处另设楼面钢筋混凝土次梁支承，主要楼层楼板厚度为200 mm;连接体钢桁架顶采用压型钢板作底模的组合楼盖体系;塔楼屋顶层采用轻钢结构屋面。16．4 m平台以下部分楼盖采用现浇空心楼盖体系。

1．2 立面结构

山西大剧院结构有限元分析模型三维视图见图2。

图2 山西大剧院结构模型

1．3 消能器的结构

整个计算模型总共安装了168个阻尼器，其中X向84个，Y向84个。阻尼器与结构通过支撑进行水平连接(见图3)。

2 消能减震结构与原结构对比

2．1计算模型

首先，对连接体连接方式考虑过强连接和弱连接两种方式后确定采用强连接方式。确定强连接方式后对结构进行分析共采用两个模型进行分析:采用常规抗侧力体系的结构模型(以下简称原模型)和经过多个结构布置方案比选后确定的消能减震模型的空间模型。其中消能减震模型选用北京迈达斯技术有限公司的MIDAS/Gen Ver．730软件进行整体计算分析及设计，用美国CSI公司的SAP2000(中文版V12)软件作为对比分析。

图3 消能器的构造方式

与原结构相比消能减震计算模型的主要调整有3点:1)去掉部分混凝土剪力墙;2)设置阻尼器;3)对原结构的剪力墙布置进行了局部调整，以减小结构在水平地震作用的扭转效应。其他构件(梁、柱、连体钢桁架)的截面、材料以及恒活荷载取值均和原模型一致，剪力墙采用壳单元，梁柱构件采用空间杆单元。分析模型考虑了标高6．4 m大平台对上部结构的嵌固作用。

2．2 消能减震结构与原结构质量对比

原结构的总质量为125 292．8 kN/g，消能减震结构的总质量为121 175．8 kN/g，与原结构质量相比，消能减震结构(MIDAS结果)的总质量减小3．29%，主要原因是消能减震结构删除了部分剪力墙导致的质量改变。

2．3 周期和振型

2．3．1 原结构模态分析

原结构模态分析中，原结构第一振型为以塔A为轴的扭转振型，第二振型为沿X向的平动，第三振型为以塔A和塔B之间某一位置为轴的扭转振型。前三阶模态的自振周期分别为:0．49 s，0．45 s和0．42 s。根据抗震规范，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类的特征周期为0．45 s，因此原结构前三阶振型的振动周期与特征周期比较接近，在地震作用下易引起结构的共振反应，同时第一振型为扭转振型，在水平地震作用下结构的地震反应大，扭转效应的不利影响比较严重。

2．3．2 消能减震结构模态分析

消能减震结构模态分析，结果表明，消能减震结构第一振型为X向平动，第二振型为Y向平动，第三振型为扭转，说明与原结构相比，消能减震结构的振动形态有比较大的改善。消能减震结构的前三阶周期分别为 0．53 s，0．52 s和 0．47 s，均大于特征周期0．45 s，其中以扭转为主的第一周期与以平动为主的第一周期之比为0．88，接近复杂高层建筑周期比0．85的限值要求。

3 消能减震结构层间位移比和刚度比

3．1 消能减震结构层间位移比

由于篇幅有限，给出了消能减震结构的层间位移比，X向地震作用下，结构的最大层间位移比为1．14，Y向地震作用下，结构的最大层间位移比除14层为1．25外，其他楼层最大值为1．17，X和Y方向的层间位移比均小于1．40。

3．2 消能减震结构楼层刚度比

由表1，表2可知塔A和塔B的消能减震结构X向的楼层刚度比(由于篇幅有限，本文只给出塔A侧X向层刚度和塔B侧X向层刚度)。

表1 塔A侧X向层刚度

表2 塔B侧X向层刚度

由于结构塔A和塔B的连体部分的侧向刚度很大，对塔A和塔B的中间楼层(5F～10F)而言，本层侧向刚度要小于上3层侧向刚度平均值的80%，本报告仅给出本层侧向刚度与相邻上层侧向刚度70%的比值。根据计算结果，塔A的7层和塔B的8层的刚度小于上一层刚度的70%，塔A和塔B的其他楼层抗侧刚度均大于上一层刚度的70%，考虑结构连体部分刚度突变带来的不利影响，在结构设计时需按照抗震规范规定增大塔A和塔B中间楼层的地震剪力。

4 结语

1)原结构侧向刚度较大，前三阶振动周期与场地特征周期接近，在地震作用下易引起结构的共振反应，同时第一振型为扭转振型，因此在水平地震作用下，导致原结构的地震反应大，扭转效应明显。

2)消能减震结构的前三阶振动周期均大于特征周期，第一振型为X向平动，第二振型为Y向平动，第三振型为扭转，与原结构相比，消能减震结构在很大程度上改善了原结构的平面不规则性，振动形态有比较大的改善。