基于連體相對高度的雙塔連體結構分析

郭遠翔，陳康華

(1.華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州，510640;2.華南理工大學建筑設計研究院，廣東廣州，510640)

根據塔樓結構布置的不同，雙塔連體結構可分為對稱雙塔連體結構和非對稱雙塔連體結構兩種。其中，非對稱雙塔連體結構的兩塔樓的結構布置相異，其振動形式比對稱雙塔結構更為復雜。因此，對非對稱雙塔連體結構動力特性的研究具有重要意義。

1 對連體相對高度系數的定義

為了便于研究連體設置高度對非對稱連體結構影響的一般規律，保持連體部分的結構布置與各塔樓的結構布置都不變，即連體部分的剛度與各塔樓剛度的比值保持不變，對連體設置高度進行無量綱化。將連體部分的結構頂面高度與連體相連接的較矮塔樓的結構頂面高度的比值定義為連體相對高度系數，如下式所示。

式中βc－連體相對高度系數;hc－連體部分的結構頂面高度;H－和連體相連接的較矮塔樓的結構頂面高度。

2 計算模型的建立

采用一非對稱雙塔連體結構進行結構模擬分析:13層框架結構，7度，設計基本地震加速度為0.10 g，柱網尺寸為9 m ×9 m，層高 4 m，Ⅱ類土，框架抗震等級為三級，連體跨度為18 m。混凝土強度等級為C30，鋼筋級別為HRB400。較矮塔樓的柱截面尺寸為600 mm×600 mm，較高塔樓的柱截面尺寸為800 mm×800 mm，主梁及連體梁的截面尺寸為250 mm×800 mm，次梁的截面尺寸為200 mm×600 mm，樓板厚100 mm。使用結構分析設計系統MIDAS Building進行建模分析，圖1為該結構三維模型。

3 自振模態及自振周期分析

改變連體的設置高度，建立8個不同設置高度的模型，對其使用CQC法進行動力特性分析。由于非對稱雙塔連體結構的兩塔樓剛度分布不一，故結構的各階模態均為非對稱振動模態。在結構的前10階自振模態中，第5階至第10階振型皆因βc的改變而產生較大變化。其中，結構第5階振型在各方向的振型方向系數隨βc的變化如圖2所示。

同樣采用上述方法改變連體相對高度系數βc，對不同連體設置高度的8個算例進行計算。得到βc在0.3－1.0之間變化時該結構的前10階自振周期如圖3所示。

由以上分析可見:(1)連體相對高度系數的變化對結構的低階自振模態產生較大影響。(2)在結構的第5階振型中，無論βc如何變化，平動－Z、旋轉－X方向的振型方向系數始終為0或接近于0。而隨著βc的變化，平動－X、平動－Y、旋轉－Y、旋轉－Z方向的振型方向系數在0% －100%之間產生大幅度的跳躍。(3)隨著βc的增大，結構的第 1、2、3、7、8、9、10 階自振周期變化平緩，即受βc的影響不大。(4)隨著βc的增大，結構的第4、5、6階自振周期逐漸減小并趨于穩定，表現為結構整體剛度加大。

4 基底剪力及傾覆彎矩分析

結構的基底剪力及傾覆彎矩隨βc的變化如圖4所示。

由圖4及圖5可見:(1)隨著βc的改變，結構的基底剪力及傾覆彎矩變化平緩。不同的連體設置高度對結構的基底剪力及傾覆彎矩影響較小。(2)結構的基底剪力及傾覆彎矩隨βc的加大而略顯增大。因此，采用較小的連體設置高度可略減結構的基底剪力及傾覆彎矩。

5 結論

1)連體相對高度系數的變化可以在較大程度上改變結構的自振模態，對非對稱雙塔連體結構的低階振型產生較大影響。

2)連體相對高度系數可使結構的自振周期產生顯著變化，其總體變化趨勢隨著連體相對高度系數的增大而減小。

3)連體的介入使非對稱雙塔連體結構的平扭耦聯程度增強。對該類結構進行動力特性分析時必須采用CQC法，同時必須考慮連體對結構的貢獻，進行整體分析。

4)非對稱雙塔連體結構的基底剪力及傾覆彎矩受連體設置高度的影響較小，但較小的連體設置高度可適當減少結構的基底剪力及傾覆彎矩。

［1] GB50011－2010，建筑抗震設計規范［S] .

［2] 黃坤耀.雙塔連體結構的靜力、抗震和抗風分析［D] .杭州:浙江大學，2001.

［3] 包世華，王建東.大底盤多塔樓連體結構的受力分析［J] .建筑結構，1996(11):7 －13.

［4] 卞朝東，李愛群，婁 宇，等.高層連體結構振型及其參與系數的分析［J] .建筑科學，2002，18(4):20 －24.

［5] 劉晶波，李征宇，石 萌，等.大跨高層連接體建筑結構動力分析［J] .建筑結構學報，2004，25(1):45 －52.

［6] 焦柯，李松柏，陳潤輝.東莞海德廣場雙塔連體高層結構動力彈塑性分析［J] .建筑結構，2009，39(8):17－98.