高位连体部分立面开洞结构性能分析

刘兴芳,刘海峰（.山东华城城建设计工程有限公司　;　.中国城市建设研究院有限公司,济南　5006）

高位连体部分立面开洞结构性能分析

刘兴芳1,刘海峰2
（1.山东华城城建设计工程有限公司;2.中国城市建设研究院有限公司,济南250061）

摘要：高层建筑结构在立面开洞、高位连体满足建筑建筑功能和美观的要求，但在地震作用下，楼层产生应力集中现象。本文基于SAP2000软件采用有限单元法对结构的整体工作性能进行分析，所得数值为工程实际提供一定的参考。

关键词：高位连体结构；开洞；有限单元法

0　引言

高层建筑连体结构是指两个或多塔结构在一定高度处设置连接体相连形成的主建筑，由于连体建筑的独特外形能够带来强烈的视觉效果，使建筑形体更具特色。由于高位连体将两者连接，各独立塔相互作用和影响，其受力和变形复杂，容易出现耦联振动和扭转过大的想象，结构的动力特性复杂，属于复杂高层建筑结构。本文假定一个结构模型，连接体和主体结构之间采用刚性连接，立面开洞的形状呈矩形，对连接体之间和开洞部位采取加强措施，观察结构的振型变化。

1　计算模型

由于SAP2000包含了杆单元、实体单元、壳单元，建模和后处理功能强大，计算的结果比较直观，全面输出结构体系分析和设计的整体结果，准确反应单体结构和主体结构相互之间的影响力。

（1）结构模型。本模型为20层的高位连体立面开洞结构，结构平面图见图1所示。其设计总高度为60m，层高取3m，结构跨度均为6m×6m，左右各有一个塔楼，其平面尺寸为24m×30m；本模型在11-20层间采用高位连接体连接，7-14层在两个模型对称部位立面开洞。本模型中主体结构采用框架-剪力墙结构，其柱子的尺寸均为800mm×800mm，主梁尺寸为300mm×500mm剪力墙的厚度为300mm，板厚为150mm，两个塔楼之间的连接梁尺寸为300mm×750mm，结构外围的维护材料采用玻璃幕墙，连接体的长度为9m；（2）结构荷载的选取和计算模型。模型中，框架上的荷载假设成梁的线荷载，剪力墙上的荷载假设成线荷载，楼面的荷载假设成楼面的面荷载，不考虑活荷载的不利布置对结构的影响，考虑地震作用的偶然偏心的影响，对于次梁不增设，仅设置主梁。将结构各节点的轴力、剪力按照整体计算的原则进行，节点数均分。采用有限单元法对结构进行离散化分析，连接体将两个单体的大底盘大跨度结构连接，其计算的基底为水平地面，梁柱皆假设成梁单元模型，剪力墙和楼板假设成板单元，连接体和两单体建筑采用刚性支座。本结构的抗震设防类别为乙类，地震作用的设防烈度取8度，设计的基本地震加速度为0.2g，设计地震分组为第二组，场地类别Ⅱ，基本风压取0.55kN/m2，地面粗糙度为B类，确定反应谱的地震影响系数αmax=0.16，其特征周期为Tg=0.4s。框架部分的抗震等级为二级，剪力墙部分的抗震等级为一级，结构的阻尼比为0.05。

2　模态分析

一般规则性结构，前几阶振型已满足要求，而本模型的立面开洞、高位悬挑，结构整体不规则，高振型阶数的层间位移的变化越明显，更能反映结构对位移的真实影响，结构振型图见图2所示。

图中第1振型和第2振型皆以X向和Y向平动为主，变形相差较小、振型相似，整体变形较小，但结构的连体部分和开洞部分的变形明显，结构整体变形不协调，在体型突变处形成应力集中现象，柱子和梁容易屈服。第3振型以扭转振型为主，结构的扭转变形十分明显，立面开洞部位的扭转比其他部位更加明显，周边的柱子变形过大，由于结构在立面开洞和高位悬挑，使得结构的抗扭性能降低，结构的冗余度降低，由于下部结构刚度小于上部结构刚度，故在下部结构突变部位形成薄弱层；洞口附近的主要构件，其受力增加明显，下层出现应力扩散现象，其附近的刚度出现拐点，地震作用强烈，扭转效应明显。

选择一榀框架，其轴力、弯矩和扭矩应力填充图见图3所示。结构的整体变形较大，尤其是在立面开洞部位，其轴力数值比四周大很多，底部的数值较上部的数值大，而立面开洞附近的柱子形成应力集中现象，其弯矩值较周围数值大很多，弯矩在突变出的数值变化较大，结构的底部受力普遍大于上部结构变形。由于结构的冗余度较低，其抗震性能较差。

图1　　结构平面图

图2　　结构振型图

图3　应力图

3　结束与建议

本文通过对立面开洞高位连体结构的特点和受力性能简述，着重研究了在地震作用下结构的受力特点，结构的动力特性和振动模态复杂，立面开洞部分构件、高位连体部分构件和周边构件在地震作用下的变形不协调，其抗变形能力差。通过比较全面深入的分析，基于SAP2000对结构模型进行有限元分析，使结构工程设计和概念上都有所深入认识。

参考文献:

[1]任旭.高层建筑连体结构设计探讨[J].工业建筑,2006,36(36).

[2]刘晶波,李征宇,石茗等.大跨度高层连接体建筑结构动力分析[J].建筑结构学报,2004,25(01):45-52.

[3]全涌,严志威,温川阳等.开洞矩形截面超高层建筑局部风压风动试验研究[J].建筑结构,2011,41(04):113-116.

[4]周颖,吕西林,卢文胜.立面开大洞短肢剪力墙—筒体结构的动力试验研究及有限元计算分析[J].建筑结构学报,2004,25(05):10-16.

[5]姜涛.某立面开大洞超限结构设计[J].河南城建学院学报，2013,22(01):13-18.

作者简介：刘兴芳（1981-），女，山东泰安人，工程师，主要从事:市政工程结构设计。