多連體雙塔結構受力性能分析與研究

摘 要:根據現行的荷載規范，運用三維有限元計算軟件ETABS，針對連接桁架剛度這一變化因素，分別建模展開對設有多道連接桁架的超高層雙塔連體結構與未設置連接桁架的單塔的計算分析。對比結果表明，連接桁架的設置能夠大大加強雙塔連體結構的整體受力合理性，提高結構綜合效能，并且這種趨勢隨著桁架剛度(層數)的加大越加突出。連接桁架的受力也隨著剛度和桁架所處位置的不同表現出一定的規律性。

關鍵詞:雙塔連體連接桁架層間位移角連體層數

中圖分類號:TU97文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(b)-0018-03

1 引言

目前國內外的學者對于雙塔連體結構展開了理論和試驗的研究，理論研究包括靜力與動力兩個方面，動力方面的研究主要是應用振型分解反應譜法、動力時程分析法、隨機分析法、能量分析法和靜力推覆法等。但是目前對于超高層、多道連體的雙塔連體結構的分析還很少，本文將以連接桁架剛度作為主要影響因素，展開對于這樣一種雙塔連體結構的受力響應進行分析和研究。

2 結構計算模型

本文所用的模型建筑平面呈矩形，地面以上136層，層高4.0m，建筑總高度544m。采用框架核心筒結構體系，外框架柱距為10m，共設有8道由伸臂桁架與腰桁架組成的水平加強層。單塔X方向高寬比達13.6，Y方向高寬比為9.07，大大超過規范限制，屬于非常高柔的建筑。為了改善建筑在X方向性能，將兩個單塔分別在沿豎向的五個部位設置連接體。

雙塔連體結構計算模型為框架-核心筒+連接桁架的復合結構體系。并且沿豎向共分為8個區域，每隔17層為一個功能分區。為了加強塔樓的抗側能力，在每一個分區設置了伸臂加強層，核心筒和外框架之間通過伸臂桁架連接。塔樓之間連接桁架的上弦與伸臂桁架的上弦相連，連接桁架的高度可變。平面圖及立面局部示意如圖1所示。

數值計算采用ETABS結構分析軟件，塔樓的樓面采用面內剛度無限大假定，采用slab膜單元;梁、柱為空間梁單元;伸臂桁架以及環向桁架的斜撐為支撐單元;墻為板單元。塔樓間的連接桁架為鋼桁架，連接方式為剛性連接。其三維計算模型如圖2所示。

對于超高層建筑，側向荷載為主要控制因素，因此本文主要考慮風荷載和地震作用。取基本風壓為0.55kN/m2，地面粗糙度B類;地震烈度為7度，響應系數最大值為amax=0.08，場地特征周期為0.65s。

3 單塔結構分析結果

計算分析得到單塔結構的周期與振型如表1，可以看出，由于單塔平面在x方向邊長較短，相應的側向剛度較低，一階振型出現在x方向，且自振周期很長。單塔的平面規整性較好，周期比:2.07/15.80=0.131<0.85。

風荷載和水平地震作用下層間位移角如圖3，單塔在y向具有較大的抗側剛度，伸臂桁架的設置起到了關鍵的作用，滿足規范層間位移角不大于1/500的限值要求。而x向的結構剛度就很弱，地震作用和風荷載下的最大層間位移角達到1/225和1/150。因此，考慮通過設置連體形成雙塔連體結構的措施，對結構的側向性能進行改進，分別在2區、4區、6區和8區設置強連體結構。

4 雙塔結構分析結果

在雙塔間設置連接桁架成為雙塔連體結構，改變連接桁架剛度，通過設置連接桁架的高度為2層、4層、8層、16層來實現。

4.1 結構整體響應

計算風荷載和地震作用下的雙塔連體結構響應，得到各方向的最大層間位移角、最大扭轉位移比、基底剪力、剪重比等，見表2。X方向風荷載作用下的基底剪力隨著連體層數的增加逐漸減小，而地震作用下的基底剪力隨著連體層數的增加逐漸增加，反映出結構剛度與風振系數、地震響應的相關性。Y方向風荷載作用下的基底剪力基本沒有變化。最大層間位移角隨著連體層數的增加單調減小，非連接方向y向的最大層間位移角反而有微量的增加。剪重比和扭轉位移比均符合規范要求。

風荷載和地震作用下的結構層間位移角曲線見圖3、圖4。隨著連接桁架層數的增加層間位移曲線整體內收，并且在連接桁架設置區域的層間位移角有突變，小于普通層的位移角。

整體穩定方面雙塔組合剛重比隨連體層數(即連接桁架高度)的增加使得連體方向的整體穩定性得到加強，而在非連體方向反而由于整體質量的增加對于整體穩定有一定負面影響，但是影響很小。X向隨著連體層數的增加剛重比分別為1.05、1.41、1.81、2.42，而y向為1.44、1.43、1.41、1.37。

4.2 連接桁架的受力

從計算結果可以看出，對于雙塔連體結構，在風荷載作用下，隨著連體位置增高，連接桁架的軸力增大，其中連接桁架3的軸力最大。桁架層數對于軸力變化影響不大。在地震作用下，底部連體軸力較小，頂層軸力最大，并且隨著連體高度的增加具有顯著的增大趨勢。

X向風荷載和地震作用下，雙塔組合結構連體部分的彎矩變化趨勢基本一致，頂部連接桁架4的彎矩最小，中下部連接桁架2(272m標高)的彎矩值最大。隨著連體高度增加，中下部位的連接桁架彎矩增加顯著，而頂部連接桁架的彎矩變化比較小。

5 結語

通過以上的計算分析和研究，對于這種設有多個連體的超高層雙塔連體結構，隨著連接桁架的設置及剛度增加表現出如下受力特性。

(1)對于組合塔式結構，設置連體使兩個獨立單塔形成一個整體結構，通過連體部分的內力傳遞實現整體結構的變形協調。與單塔相比，雙塔組合的層間位移角顯著減小，結構的抗側性能得到極大改善。隨著連體層數(連接桁架高度)的增加，整體受力逐漸接近于巨型結構，核心筒的抗傾覆作用進一步提高，側向剛度隨之提高，層間位移角有明顯的“收攏”趨勢，頂點位移也隨著連體層數的增加而減小。

(2)雙塔組合結構的非連體方向性能沒有大的變化。隨著連體層數(連接桁架高度)的增多，結構總重量有所增加，y方向自振周期略有增加，相應的層間位移角和頂點位移有微小增大。在連體結構部位的層間位移角小于普通樓層的層間位移角，層間位移角存在突變。

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