MIDAS/Building雙塔大跨度連體建筑抗震設計

楊子勝，李新明，楊毅輝

（1.中原工學院，河南 鄭州 450007；2.河南省紡織建筑設計院有限公司，河南 鄭州 450007）

MIDAS/Building雙塔大跨度連體建筑抗震設計

楊子勝1，李新明1，楊毅輝2

（1.中原工學院，河南 鄭州 450007；2.河南省紡織建筑設計院有限公司，河南 鄭州 450007）

雙塔大跨度連體建筑結構形式及受力較為復雜，其結構安全性設計特別是抗震設計尤為重要。以某雙塔大跨度連體建筑為例，基于MIDAS/Building結構分析設計系統及SATWE對整體結構進行小震反應譜分析，考慮施工模擬及P-delta影響，計算其水平及豎向地震作用，得到整體結構受力與位移參數，并進行設計驗算。通過比較兩種軟件計算結果，可以看出該工程各項指標均符合規范要求，具有良好的抗震性能?；谟嬎憬Y果，提出一些改進措施，為類似結構的計算與抗震性能分析提供參考。

雙塔；大跨度連體建筑；抗震設計；小震反應譜法

0　引　言

近年來，由于雙塔高層建筑具有節約土地面積及獨特建筑美觀效果的優點，逐漸普及。與一般單體結構相比，雙塔連體結構的動力抗震設計要復雜得多［1-3］。目前，針對無連體及連體雙塔結構建筑抗震設計方面雖均已有較多研究，但各連體建筑不盡相同，結構體系各有特點，故復雜連體建筑均需分析其獨特的結構設計及抗震性能。本文針對某復雜雙塔大跨度連體建筑，進行復雜連體結構的抗震性能分析及設計。

1　工程概況

該建筑地下2層，地上15層，建筑高度59.90m。地下兩層為地下車庫和設備用房。地上1層、2層為商業裙房，主樓為15層寫字樓。為了在有限的建筑用地范圍和限高的情況下提高建筑使用面積，項目頂部3層采用跨度25.2 m、寬度25.2 m的連體結構將兩個主樓塔體相連，形成雙塔大跨度連體建筑［4-5］，由于兩個塔樓之間的跨度較大，且底部連接底盤的剛度很大，可以協調塔樓部分的變形，具有高層和大跨度結構雙重特點［6］，受力狀況復雜，抗震設計較為困難。

該建筑為框筒結構，裙房部分為框架結構；建筑類別為一類。主體結構設計使用年限為50年，地下室防水等級二級，地下室防水混凝土抗滲等級P8，屋面防水等級為II級，抗震設防烈度為7°。

建筑主體為混凝土材料，連體部分采用Q345鋼材，與連體相連的框架柱為型鋼混凝土柱，連體鋼梁向主體延伸一跨，設為型鋼混凝土梁。依據JGJ 3——2010《高層建筑混凝土結構技術規程》［7］（以下簡稱高規），復雜建筑應采用至少兩個結構分析軟件進行整體計算。為此，采用MIDAS/Building及SATWE兩種軟件進行三維有限元分析計算。

2　計算模型及參數

2.1計算程序

MIDAS/Building使用了最新的有限元分析及結構設計等技術，其動力彈塑性分析功能通過提供各種滯回模型、材料本構關系與高效的計算分析求解器，可以快速、簡便、準確地進行結構分析。SATWE較好地解決剪力墻和樓板的模型化問題，盡可能地減小其模型化誤差，提高分析精度，使分析結果能夠更好地反映高層結構的真實受力狀態。

本文以SATWE進行結構抗震性能計算，使用MIDAS/Building進行校核。計算模型采用地下室頂板為嵌固端，帶地下室整體計算。

2.2設計參數及計算模型

對整體結構進行小震反應譜分析，考慮施工模擬及P-delta影響，計算水平及豎向地震作用，得到整體結構受力、位移等，并進行設計驗算。設計參數見表1。根據建筑結構設計參數建立計算模型，其正視圖和前視圖如圖1所示。

圖1　計算模型

表1　結構計算的主要計算參數

3　結構計算及驗算

3.1質量分布及豎向質量驗算

結構總質量6.72萬噸，其中恒載6.08萬噸，活載0.64萬噸。結構恒載、活載分布均勻，兩塔豎向質量不規則演算如表2與表3所示。

表2　塔1樓層豎向質量不規則驗算

表3　塔2樓層豎向質量不規則驗算

可以看出，塔1與塔2均在第12層處出現突變，最大層質量比為1.260，符合《高層建筑混凝土結構技術規程》的要求（樓層質量不宜大于相鄰下部樓層質量的1.5倍）。

3.2小震反應譜法計算結果

該項目在小震反應譜計算中，考慮了扭轉耦聯效應、偶然偏心及雙向地震效應。連體部分采用彈性板假定，塔樓部分采用剛性樓板假定，風荷載采用重現期為50年的基本風壓。

3.2.1結構周期

應用MIDAS和SATWE對結構進行振型周期計算，其結構如表4所示。發現兩種軟件的計算結果誤差最大為9.78%，反映出不同計算軟件在結構周期計算中的差異性。從振型階數來看，誤差與振型階數沒有明顯相關關系。

表4　結構周期對比計算

SATWE與MIDAS軟件計算的結構周期比（Tt/T1）分別為0.777和0.780，均小于規范要求的0.85，滿足規范要求，表明連體建筑的抗扭剛度較好［8］。

3.2.2有效質量參與系數與振型

由表5可知，計算地震作用的有效質量參與系數＞90%，滿足規范要求。

表5　結構各方向有效質量參與系數

表6　結構最不利位置1）

結構主要振型有：平動為主的振型中，根據確定的兩個水平坐標軸方向X、Y，可區分為X向平動為主的振型和Y向平動為主的振型。扭轉為主的振型中，周期最長的稱為第一扭轉為主的振型。

本結構共有3種振型，分別為：第一振型，X向平動振型；第二振型，Y向平動振型；第三振型，扭轉振型。

3.2.3結構位移和位移比指標

表6給出了結構主要位移指標的計算結果。從表中可見，MIDAS計算結果與SATWE計算結果基本一致；在結構頂層最大位移方面，DX為44.26mm，DY為43.91mm；樓層最大層間位移角滿足規范JGJ 3——2010《高層建筑混凝土結構技術規程》的要求（1/800），其余各工況最大層間位移角均滿足規范要求，塔樓結構體系所提供的抗側剛度均可滿足結構的承載力、穩定性和使用要求。

結構X向、Y向地震作用下位移云圖如圖2、圖3所示。經分析，結構在X向地震作用以及X±5%工況下底部幾層位移比大于1.2，小于1.5，Y向工況下樓層位移比均小于1.20，滿足規范要求。

圖2　X向地震作用位移云圖

圖3　Y向地震作用位移云圖

由以上結果看出，該雙塔大跨度連體建筑各項指標良好，結構剛度適中，具有較好的抗震效果［9-10］。

3.2.4樓層反應力分析

各塔底部樓層水平荷載作用下，樓層剪力及其傾覆彎矩見表7。發現塔1與塔2在地震與風荷載作用下的樓層剪力及傾覆彎矩基本相同。而在各塔結構底部兩層傾覆彎矩中（見表8），塔1與塔2底部兩層的Y向柱傾覆彎矩相差較大，其中塔1-2F與塔2-2F在Y向柱傾覆彎矩相差約9.8%。

表7　樓層剪力及其傾覆彎矩

3.2.5結構層剛度比分析

對框筒結構，結構各層側移剛度與上一層側移剛度的比值不宜小于0.9。經分析，本結構X向第12層最小，為0.701，判斷為薄弱層，該層地震剪力應乘以1.25（新高規3.5.8）倍放大系數。

表8　各塔底部兩層傾覆彎矩

3.2.6結構剪重比分析

經分析，X向最小剪重比為0.039，Y向最小剪重比為0.049，X向、Y向剪重比均滿足JGJ 3——2010的要求。

3.2.7樓層抗剪承載力

結構本樓層與上一層抗剪承載力之比：X向最小為0.766，Y向最小為0.717，均在第12層。第12層抗剪承載力比值小于0.8，大于0.65，這層構件地震作用調整系數為1.25，已做調整。各層均滿足規范JGJ 3——2010第3.5.3條“抗側力結構的層間受剪承載力不應小于相鄰上一層的65%”的要求。

表9　結構剛重比

3.2.8剛重比

兩種軟件計算結果均表明，該結構X向與Y向剛重比均大于1.4，能夠通過《高層建筑混凝土結構技術規程》第5.4.4的整體穩定驗算，同時根據《高層建筑混凝土結構技術規程》5.4.1的要求，X向、Y向剛重比均大于2.7，不需要考慮重力二階效應。

4　連體部分技術加強措施

1）連體部分采用三榀三層高的鋼桁架與兩棟主樓剛性連接，兩棟主樓均為框架-核心筒結構。與鋼桁架相連的6個框架柱采用型鋼砼柱直接從基礎生根，在保證鋼桁架剛性連接的同時，有效降低了框架柱的軸壓比，減小了柱截面。

2）鋼桁架的弦桿采用焊接H型鋼，并向主樓延伸一跨至核心筒，在充分保證剛性連接的同時，也有效保證了剪力的傳遞。

3）連體部分抗震加強措施：

①連接體及與連接體相連的結構構件在連接體高度范圍及其上下層，抗震地基提高一級。

②與連接體相連的框架柱在連接體高度范圍及其上下層，柱箍筋全長加密，軸壓比限值按其他樓層框架柱的數值減小0.05采用。

③與連接體相連的剪力墻在連接體高度范圍及其上下層設置約束邊緣構件。

④連接體及與之對應的主樓各層樓板、連接體上下層樓板配筋采用雙層雙向配筋，連接體底層樓板和頂層樓板厚度加厚至180mm，連接體中間兩層厚度加厚至150mm。

⑤與鋼桁架弦桿對應的框架梁均采用型鋼砼梁，與型鋼砼梁對應另一端的框架柱采用型鋼砼柱，構造型鋼砼柱向連接體一下延伸一層。

⑥鋼桁架腹桿采用方鋼管，腹桿與弦桿采用剛性連接，各構件型心線重合。

5　結束語

本工程為雙塔大跨度連體結構，由于結構屬于7°（0.15g）地區，在結構分析中考慮了豎向地震作用與施工階段模擬。數值計算結果表明，結構布置均勻，樓層質量比滿足規范要求。對整體結構進行小震反應譜分析，并對MIDAS和PKPM的結果進行比對。考慮施工模擬及P-delta影響，計算水平及豎向地震作用，得到整體結構受力、位移等，并進行樓層反映力、結構層剛度比、結構剪重比、樓層抗剪承載力和剛重比設計驗算。發現該雙塔大跨度連體建筑各項指標良好，滿足規范要求，具有較好的抗震性能。

在滿足結構各項基本規范指標的前提下，基于數值計算結果提出了結構優化的方法和合理化建議，為其他類似結構的設計和分析提供了參考。

［1］劉中華，肖志斌，裘濤，等.寶雞某學院圖書館雙塔連體結構的抗震分析［J］.地震工程與工程振動，2006，26（3）：131-133.

［2］譚希平.某高層雙塔連體結構設計［J］.建筑結構，2014，44（22）：17-20.

［3］張崢，丁潔民，王忠平，等.雙塔連體復雜高層結構的超限分析及抗震性能評價［J］.建筑結構，2008，38（9）：52-57.

［4］談光宇，沈蒲生.地震作用下對稱雙塔連體結構受力性能研究［J］.科學技術與工程，2006（16）：2493-2494.

［5］婁榮，陳威文，卓春笑，等.大跨度高位連體結構抗震設計［J］.建筑結構，2012（12）：45-48.

［6］樓夢麟，張喜，林巧.水平地震下雙塔樓結構的行波地震反應分析［J］.力學季刊，2012（1）：138-145.

［7］高層建筑混凝土結構技術規程：JGJ 3—2010［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［8］建筑抗震設計規范：GB 50011—2010［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［9］李應斌，劉伯權.基于結構性能的抗震設計理論研究與展望［J］.地震工程與工程振動，2001，21（4）：73-79.

［10］李英民，白紹良.不同地震水準反應譜之間的關系和罕遇地震作用設計反應譜的確定［J］.地震工程與工程振動，2003，23（6）：9-16.

（編輯：李妮）

Twin towers long-span connected building seismic design based on MIDAS/Building

YANG Zisheng1，LI Xinming1，YANG Yihui2
（1.Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China；2.He’nan Textile Architecture Design Institute Co.，Zhengzhou 450007，China）

Thestructureformandstressoftwintowerslong-spanconnectedbuildingis complicated.Its safety design is particularly important，especially for its seismic design.A twin towers long-span connected building is taken as an example in this paper.The design system is analyzed by MIDAS/Building and SATWE software by using small earthquake response spectrum，considering the construction simulation and the influence of P-delta，the horizontal and vertical seismic action is calculated and the structure stress and displacement parameters are proposed with design calculation checking carried out.Through comparing the calculating results by SATWE and MIDAS，the results show that the various parameters about the project are in conformity with standard requirements and the semismic property of the structure is in condition.Some suggestions are given based on the results and it can provide reference for similar projects.

twin towers；long-span connected building；seismic design；small earthquake response spectrum method

A

1674-5124（2016）06-0080-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.06.018

2015-11-09；

2016-01-12

國家自然科學基金項目（51574296）2016年度河南省教育廳人文社會科學研究一般項目（2016-gh-199）

楊子勝（1979-），男，河南新鄉市人，副教授，碩士，研究方向為土木工程設計及施工管理。