非对称连体结构在多维地震作用下的分析

郭丽艳，徐东强

（河北工业大学土木与交通学院，天津300401）

非对称连体结构在多维地震作用下的分析

郭丽艳，徐东强

（河北工业大学土木与交通学院，天津300401）

为研究非对称连体结构在多维地震作用下的反应，利用有限元软件建立非对称连体结构的分析模型，考虑地震竖向扭转分量的影响，分析非对称连体结构在汶川地震波和El-Centro地震波3种工况下（单向、双向、双向加扭转）的地震反应，得到非对称连体结构的层间位移角曲线、扭转角曲线、轴力图、剪力图和扭矩图.结果表明：在相同地震波作用下，非对称连体结构的层间位移角、扭转角、轴力、剪力及扭矩在多维地震作用下明显大于单向地震作用下.地震的竖向扭转分量对非对称连体结构的扭转角和扭矩影响较大.在不同地震波作用下，非对称连体结构的层间位移角、扭转角、轴力、剪力及扭矩在El地震作用下要明显大于汶川地震作用下.所以对非对称连体结构进行多维、多组地震作用下的分析很有必要.

非对称连体结构；多维地震；竖向扭转分量；有限元分析

非对称连体结构因具有独特的外形而受到设计师的青睐[1]，同时此种结构在地震作用下的受力状况也较为复杂，因此对非对称连体结构进行抗震性能研究意义重大[2].国内外专家学者对非对称连体结构在地震作用下的反应进行了许多分析和研究[3-9]，但对非对称连体结构考虑地震扭转分量的研究还不够全面.本文利用ANSYS软件建立非对称连体结构的有限元分析模型，考虑地震竖向扭转分量的影响，对结构分别在汶川地震波和El-Centro地震波3种工况下（单向、双向、双向加扭转）的动力反应进行分析，得到了结构的层间位移角、扭转角、轴力、剪力和扭矩的分析结果.

1 建立有限元模型

本文所建非对称连体结构，结构形式为钢筋混凝土框架结构，结构的抗震设防烈度为8度，结构总高度为36.9 m，左塔楼为10层，右塔楼为8层，结构底层层高为4.5 m，其它各层层高均为3.6 m，框架梁尺寸为0.3 m×0.6 m，框架柱尺寸为0.6 m×0.6 m，结构的连接大梁位于非对称连体结构的5层、6层，尺寸为0.5 m×1.0 m.本文有限元模型结构底部柱是完全固结的，未考虑土体与结构相互作用的影响.非对称连体结构的标准层平面布置如图1所示，利用ANSYS建立非对称连体结构的有限元分析模型如图2所示.

图1 结构标准层平面布置图Fig.1 The standard floor plan of structure

图2 结构有限元分析模型Fig.2 The finite element analysis model of structures

1.1 单元类型

本文采用BEAM189梁单元模拟梁和柱. BEAM189梁单元是Timoshenko梁元，考虑了剪切变形的影响，适于分析细长梁和适度深梁，适合分析线性、大角度转动或非线性大应变问题.SHELL181壳单元存在弯曲和薄膜效应，主要模拟平板与曲壳类结构，其具有应力硬化以及大变形能力，适用于线性以及大变形非线性问题的分析.本文采用SHELL181壳单元模拟楼板.

1.2 材料本构关系

本文中单元本构关系模型为双线性随动强化模型，通过弹性模量、屈服应力和切线模量定义应力-应变关系曲线，符合Von Mises屈服准则和随动强化准则，采用双折线弹塑性应力-应变关系.

1.3 地震波输入

本文选取汶川地震波和El-Centro地震波，峰值加速度值按8度设防调整为400 cm/s2，汶川地震波和El-Centro地震波的平动分量加速度时程曲线和竖向扭转分量加速度时程曲线分别如图3和图4所示.

图3 汶川地震波Fig.3 Wenchuan earthquake wave

1.4 阻尼常数的确定

图4 El-Centro地震波Fig.4 El-Centro earthquake wave

2 弹塑性动力分析

2.1 结构的层间位移角

非对称连体结构分别在汶川地震波和El地震波3种工况下（单向、双向和双向加扭转）的层间位移角曲线如图5所示.

图5结果表明，非对称连体结构的层间位移角曲线有大致相同的变化趋势，且最大层间位移角都出现在第2层，故第2层为结构的薄弱层.非对称连体结构高低两塔楼的层间位移角在连接体以下差别较小，在连接体以上差别逐渐变大且高塔楼明显大于低塔楼.非对称连体结构的层间位移角在双向地震作用下明显大于单向地震作用下，但在双向加扭转地震作用下只略大于双向地震作用下，说明地震波的竖向扭转分量对结构的层间位移角影响较小.对比不同地震波对非对称连体结构的影响，结构的层间位移角在El地震作用下要明显大于汶川地震作用下.

图5 层间位移角曲线Fig.5 Inter layer displacement angle curves

2.2 结构的扭转角

非对称连体结构在汶川地震波和El地震波3种工况下（单向、双向和双向加扭转）的扭转角曲线如图6所示.

图6结果表明，非对称连体结构的扭转角曲线有大致相同的变化趋势，结构底层的扭转角较小并随楼层的增加而增大.非对称连体结构高低两塔楼的扭转角在连接体以下差别很小，在连接体以上差别逐渐变大，高塔楼的扭转角在连接体以上明显大于低塔楼.非对称连体结构的扭转角在汶川地震波3种工况下（单向、双向和双向加扭转）差别并不明显，但多维地震作用下较单向地震作用下也稍有增加.在El地震作用下，非对称连体结构的扭转角在双向地震作用下大于单向地震作用下，在双向加扭转地震作用下较双向地震作用下的增加则更为明显，说明El地震波的竖向扭转分量对非对称连体结构的扭转角有较大影响.对比不同地震作用对结构的影响，非对称连体结构的扭转角在El地震作用下明显大于汶川地震作用下.

图6 结构扭转角曲线Fig.6 Structure torsion angle curves

2.3 结构的受力分析

2.3.1 结构的轴力分析

非对称连体结构在汶川地震波和El地震波双向加扭转工况下的轴力图如图7所示.图中结果表明，非对称连体结构的轴力有大体一致的变化趋势，底层轴力较大向上逐渐减小，高塔楼轴力值大于低塔楼.

非对称连体结构在汶川地震波和El地震波3种工况下（单向、双向和双向加扭转）的轴力最值对比结果如表1所示.从表1中结果可以看出，在相同地震波作用下，非对称连体结构边柱和角柱的轴力在双向地震作用下明显大于单向地震作用下，在双向加扭转地震作用下略大于双向地震作用下，非对称连体结构中柱的轴力在各工况下变化不大.这说明多维地震对非对称连体结构边柱和角柱的轴力影响较大，对中柱轴力影响很小.非对称连体结构边柱和角柱的轴力在El地震作用下要明显大于汶川地震作用下，中柱轴力则相差不大.

图7 结构轴力图Fig.7 Axial force graphs of structure

表1 结构柱的轴力最值Tab.1 Maximum axial force of structural column

2.3.2 结构的剪力分析

非对称连体结构在汶川地震波和El地震波双向加扭转工况下的剪力图如图8所示.从图中结果可以看出，非对称连体结构的剪力变化趋势大体一致，底部剪力较大，随着楼层的增加逐渐减小.

非对称连体结构在汶川地震波和El地震波3种工况下（单向、双向和双向加扭转）的剪力最值对比结果如表2所示.从表中对比结果可以看出，非对称连体结构高低两塔楼的剪力值相差不大.在相同地震波作用下，非对称连体结构的剪力在双向地震作用下要明显大于单向地震作用下，在双向加扭转地震作用下较双向地震作用下也有所增加，这说明多维地震作用对非对称连体结构的剪力有一定影响.非对称连体结构的剪力在El地震作用下明显大于汶川地震作用下.

图8 结构剪力图Fig.8 Shear force graphs of structure

表2 结构柱的剪力最值Tab.2 Maximum shear force of structural column

2.3.3 结构的扭矩分析

非对称连体结构在汶川地震波和El地震波双向加扭转工况下的扭矩图如图9所示.从图中结果可以看出，非对称连体结构的扭矩变化趋势大体一致，结构底部扭矩值较大，随着楼层的增加逐渐减小.

非对称连体结构在汶川地震波和El地震波3种工况下（单向、双向和双向加扭转）的扭矩最值对比结果如表3所示.从表中对比结果可以看出，非对称连体结构高塔楼的扭矩值大于低塔楼.相同地震波作用下，非对称连体结构的扭矩值在双向地震作用下大于单向地震作用下，在双向加扭转地震作用下较双向地震作用下的增加则更为明显，说明地震的竖向扭转分量对非对称连体结构的扭矩影响较大.对比不同地震作用对结构的影响，非对称连体结构的扭矩在El地震作用下明显大于汶川地震作用下.

图9 结构扭矩图Fig.9 Torque graphs of structure

表3 结构柱的扭矩最值Tab.3 Maximum torque of structural column

3 结论

通过以上分析得出非对称连体结构在汶川地震波和El地震波3种工况下的分析结果：

1）同一地震波作用下，结构的层间位移角在多维地震作用下明显大于单向地震作用下，地震的竖向扭转分量对结构的层间位移角影响较小.

2）El地震作用下，结构的扭转角在双向加扭转地震作用下较双向和单向地震作用下有明显增加，El地震波的竖向扭转分量对结构的扭转角有较大影响.

3）在同一地震波作用下，结构边柱和角柱的轴力在多维地震作用下明显大于单向地震作用下，中柱轴力变化很小.边柱和角柱的轴力在El地震作用下要明显大于汶川地震作用下，中柱轴力变化亦不大.

4）在同一地震波作用下，结构的剪力在多维地震作用下明显大于单向地震作用下，多维地震作用对结构剪力有一定的影响.

5）在同一地震波作用下，结构的扭矩在双向加扭转地震作用下较双向和单向地震作用下有明显增加，地震的竖向扭转分量对结构的扭矩影响较大.

6）对比不同地震波的影响，结构的层间位移角、扭转角、轴力、剪力和扭矩在El地震作用下明显大于汶川地震作用下.

综上所述，非对称连体结构的变形和内力在多维地震和不同地震波下的反应较为复杂，对非对称连体结构进行多维、多组地震作用下的分析很有必要.

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[2]沈蒲生.多塔与连体高层结构设计与施工[M].北京：机械工业出版社，2009：69-220.

[3]肖从真，杜义欣，康志宏，等.丽泽SOHO双塔复杂连体超限高层结构体系研究[J].建筑结构学报，2016，37（2）：11-18.

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[责任编辑 杨屹]

Analysis of asymmetric connected structure under multi-dimensional earthquake

Guo Liyan，Xu Dongqiang
（School of Civil and Transportation Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin,300131,China）

In order to study the response of asymmetric connected structure under multi-dimensional earthquake action, the analysis model of asymmetric connected structure was established by using the finite element software.Considering the influence of earthquake vertical torsional component,it was used in the analysis of the reaction of asymmetrical connected structure under the three conditions(unidirectional earthquake,bidirectional earthquake,bidirectional and torsional earthquake)of the Wenchuan earthquake wave and El-Centro earthquake wave.The results of asymmetric connected structures are obtained,including inter layer displacement angle curves,torsion angle curves,axial force graphs,shear force graphs and torque graphs.The results show that,under the same earthquake wave action,the interlayer displacement angle,torsion angle,axial force,shear force and torque of asymmetric connected structure under multi-dimensional earthquake are obviously larger than that under unidirectional earthquake.The vertical torsional component of earthquake has a great influence on torsion angle and torque of asymmetric connected structure.Under different earthquake wave actions,the interlayer displacement angle,torsion angle,axial force,shear force and torque of asymmetric connected structure under the El earthquake are significantly larger than that under the Wenchuan earthquake.So it is very necessary to analyze the asymmetrical connected structure under multi dimension and multi group earthquake.

asymmetric connected structure;multi-dimensional earthquake;vertical torsional component;finite element analysis

TU375.4

A

1007-2373（2017）04-0099-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.017

2016-12-30

河北省自然科学基金（E2013202118）

郭丽艳（1984-），女，博士研究生，guoliyan2009@126.com.通讯作者：徐东强（1957-），男，教授，博士，xudq58@163.com.