大底盘双塔连体结构的地震响应分析

■易 帆 ■西南石油大学土木工程与建筑学院，四川 成都 610500

1 引 言

近年来，随着我国经济的不断发展，各种复杂的高层建筑不断涌现。由于业主和甲方对于建筑功能、造型等方面的要求越来越高，相应地出现了各种复杂高层建筑结构形式如:带转换层结构、带加强层结构、连体结构、竖向体型收进、悬挑结构和错层结构，上述结构形式均为不规则结构，不利于结构抗震。而大底盘双塔连体结构则是连体和竖向体型收进二种不规则结构的组合，在地震作用下，结构受力异常复杂，容易形成抗震薄弱部位［1］。由于大底盘双塔连体结构由大底盘、塔楼和连体三个部分组成，其受力异常复杂且存在明显扭转耦联现象。国内外大量震害表明:连体结构在地震中破坏严重，连接体本身塌落较多，同时主体结构中与连接体相连的部分构件破坏严重。因此，研究大底盘双塔连体结构的动力特性及地震反应具有非常明显的现实意义及工程指导意义。本文通过PKPM软件建立了四个连体位置不同的大底盘双塔连体结构模型，分别对其进行模态分析、反应谱分析和时程分析，寻找出连体位置的合理布局，以供同类工程参考。

2 模型建立

通过PKPM软件建立了四个大底盘双塔连体结构模型，通过对计算结果的提取分析，得到结构的振动特性及地震反应。结构形式为框架剪力墙，结构总长为96.6m，总宽为34.5m，柱距均为6.9m。裙房层数为4层，层高3.6m，其余各层层高为3.2m，结构总共18层，总高度为59.2m。柱截面尺寸为800800mm，剪力墙厚250mm，板厚200mm，框架梁截面尺寸300800mm，连梁截面尺寸为300500mm，梁、板的混凝土等级为C30，柱的混凝土等级为C40。所谓连梁是指一端与剪力墙、另一端与框架梁连接的梁或者二端都与剪力墙连接的梁，而二端都与框架柱相连的梁是框架梁。在连体部位设有斜向H型钢支撑，其截面尺寸为H500mm300mm15mm20mm，与两侧塔楼采用刚性连接。

抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第二组，结构阻尼比为0.05，场地特征周期值为0.40s，周期折减系数取0.8。

3 模态分析

采用PKPM软件计算结构的动力特性，计算振型个数取18，通过对计算结果进行分析得出:(1)四个计算模型X向和Y向的有效质量系数均大于90%，因此所取振型个数满足我国规范要求;(2)四个模型均存在高阶振型有较大质量参与系数，这说明对于此类建筑结构的高阶振型不容忽视，某些高阶振型对地震力的贡献较大;(3)模型1、2、3的一阶振型均为纯粹的Y向平动而模型4的一阶振型为纯粹的X向平动，表明连体的设置对于结构振型产生了影响，其原因可能与连体的刚度在Y向很小有关。(4)四个模型均存在明显的平扭耦联现象且均为与Y向平动耦联。(5)四个模型的前七阶周期变化较大，其他的高阶振型的变化较小，连体设置增加了结构的刚度，使其周期减小，而当连体设置在距楼层顶部1/3处时(模型2)，其周期减小最多。

4 地震反应

4.1 反应谱分析

应用PKPM软件对四个计算模型分别求解，得出其在X和Y向的楼层位移及剪力，并进行对比分析，由计算结果表明左塔和右塔的变形为对称变形，变形协调，故在进行位移分析时作为单塔进行分析。

进行分析比较可以得出:(1)连体的设置减小了结构的侧向位移，而当连体设置在距楼层顶部1/3处时(模型2)，其效果最为明显，与未设置连体相比位移减小了17%;(2)模型在X向的位移相差较大而Y向位移基本一致，表明连体设置对于X向的刚度贡献较大，而对Y向的刚度贡献较小;(3)结构在裙房与塔楼连接处剪力发生了较大突变，这是由于结构在裙房顶部体型收进，造成竖向刚度突变，设计时应注意加强;(4)连体设置可以减小结构的位移和内力，即减小了结构的地震反应，对结构抗震有利。(5)连体设置造成结构竖向刚度突变，因此模型在X及Y向的楼层剪力均在连体设置部位发生较大的突变，这些部位均为薄弱部位，在进行结构设计时应采取有效加强措施。

4.2 弹性动力时程分析

本文选用Taft地震波进行结构的弹性动力时程分析，该波是强震实测记录，加速度峰值为175.71cm/s2，适用于Ⅱ类场地，持续时间为54.4s，时间间隔为0.02s。经过计算后，地震波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，且由地震波计算的基底剪力大于振型分解反应谱法计算结果的65%，故满足我国规范对于地震波的选取要求。

经分析可以得到:(1)结构在Taft地震波作用下，X向的速度和加速度差异较大，而Y向的速度和加速度几乎没有差异，表明连体设置对于结构X向的刚度贡献较大，而Y向的刚度贡献较小;(2)连体的设置可以减小结构的速度和加速度，即减小了结构的地震反应，对结构抗震有利;(3)结构的X和Y向加速度在结构顶部(即16、17、18层)均有较大的增长，则相应的地震作用也增大，故设计时应注意加强;(4)当连体设置在距楼层顶部1/3处时(模型2)，不论是速度还是加速度均最小，即地震反应最小，与设置连体相比其速度减小32.7%，加速度减小33%。

5 结论

通过建立四个大底盘双塔连体结构的模型，并对其自身的动力特性及振型分解反应谱法和弹性动力时程分析法下的位移、速度、加速度和内力进行对比分析，得出以下结论:(1)大底盘双塔连体结构的振型复杂，存在某些高阶振型的质量参与系数较大，且存在明显的平扭耦联现象且均为与Y向平动耦联。(2)连体设置对于结构X向的位移、速度、加速度和内力影响较大，而对Y向几乎没有影响，表明连体对结构在X向的刚度贡献较大而Y向刚度贡献较小。(3)当结构设置有连体时，结构的楼层剪力会在连体部位突然增大形成结构薄弱部位，设计人员在设计时应注意采取加强措施，以免对结构造成不利影响。(4)对于大底盘双塔连体结构，当连体布置在距楼层顶部1/3处时，结构地震反应最小，即其结构布置最为有效合理。

［1］JGJ3－2010高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［2］雷关庆，周贻源.大底盘双塔结构的地震响应分析［J］.安徽建筑工业学院学报，2014，22(3):1 －5.

［3］李雅婷.水平地震激励下双塔连体结构受力影响因素研究［D］.北京:北京建筑大学，2014.

［4］GB50011－2010建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［5］李志山，容柏生.高层建筑结构的罕遇地震影响的弹塑性时程分析研究［C］.首届全国建筑结构技术交流会论文集，2006.

［6］杜玉飞.大底盘非对称双塔连体结构抗震性能研究［D］.长沙:湖南大学，2008.

［7］熊丹安.抗震设计简明教程［M］.广州:华南理工大学出版社，2006.