某高位大跨連體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析

王鵬 許平 杜明軍 胡振杰

高位大跨連體結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，高烈度區(qū)地震反應(yīng)起控制作用。文章結(jié)合成都某工程實(shí)例，采用多模型多程序?qū)ζ溥M(jìn)行詳細(xì)的彈性和彈塑性分析，評價結(jié)構(gòu)抗震性能。對連體進(jìn)行專項(xiàng)分析，并采取相應(yīng)加強(qiáng)措施。

大跨高位連體結(jié)構(gòu); 彈性分析; 彈塑性分析

TU973.3?? A

[定稿日期]2021-08-16

[作者簡介]王鵬（1981～），男，碩士，高級工程師、一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

1 工程概況

成都某項(xiàng)目為高位大跨連體超限高層建筑，連體兩側(cè)塔樓房屋高度為137.050 m，連接體位于32層—屋面（標(biāo)高113.950～136.950），連體跨度為29.600 m。其他具體工程情況及設(shè)計(jì)參數(shù)見文獻(xiàn)[1]。

2 結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置

工程塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，樓板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板體系。兩個塔樓及連體部分呈左右對稱關(guān)系，兩個塔樓的豎向構(gòu)件、平面布置、層數(shù)及剛度完全一致，各層結(jié)構(gòu)平面見文獻(xiàn)[1]。

塔樓核心筒平面為矩形，核心筒X向尺寸為9.1 m，核心筒Y向尺寸為12.05 m，核心筒外墻厚度自下而上由750 mm減小至400 mm。塔樓外框架柱采用鋼筋混凝土柱，沿塔樓高度上下連續(xù)貫通。基頂～4層、連體以下兩層（30層、31層）及與連體相連框架柱設(shè)置為型鋼混凝土柱，其中支撐連體結(jié)構(gòu)的8顆框架柱型鋼延伸至15層，以控制軸壓比并增加框架柱的延性，框架柱主要截面為1 100 mm×1 100 mm、1 000 mm×1 000 mm、800 mm×800 mm等。墻柱混凝土等級自下而上由C60逐級變化到C30，梁板混凝土等級均為C30。

連體部分共7層（含桁架下弦所在樓層），采用鋼結(jié)構(gòu)體系，底層設(shè)置四榀鋼桁架，上抬5層鋼結(jié)構(gòu)框架。依據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]（簡稱高規(guī)），連接體與塔樓的連接可分為剛性連接（強(qiáng)連接）和滑動連接（弱連接）兩種。本工程連接體所在樓層位置較高（32層—屋面），跨度較大（29.6 m），采用剛性連接方案[3]。桁架上、下弦桿分別伸入主樓內(nèi)一跨，桁架高度5.5 m。桁架桿件采用箱型截面，截面450 mm×400～950 mm，壁厚30～50 mm。

3 連體結(jié)構(gòu)小震反應(yīng)譜計(jì)算分析

采用YJK和ETABS軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)在多遇地震反應(yīng)譜作用下結(jié)構(gòu)的受力和變形，結(jié)構(gòu)動力特性見表1，結(jié)構(gòu)的前3階振型如圖1～圖3所示。

由表1和圖1～圖3可以看出，結(jié)構(gòu)第1振型為以Y向?yàn)橹鞯钠絼樱?振型為以X向?yàn)橹鞯钠絼樱c結(jié)構(gòu)剛度分布一致，結(jié)構(gòu)因設(shè)置連接體在Y向的剛度明顯小于X向，周期比小于0.85，滿足規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)具有較好的抗扭剛度。

反應(yīng)譜法計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)最大位移響應(yīng)見表2，位移角和樓層位移曲線見圖4、圖5。采用雙塔連體模型，塔樓采用剛性樓板假定，連體樓板采用彈性板，以考慮樓板實(shí)際的面內(nèi)剛度。

層位移曲線平滑無較大突變，呈現(xiàn)彎剪型受力狀態(tài)，X向?qū)娱g位移角在連體鋼桁架樓層附近有突變，但地震作用的X、Y向位移角均滿足規(guī)范[2，4]要求（1/800），結(jié)構(gòu)的整體剛度較大。

4 單塔小震反應(yīng)譜計(jì)算分析

為了解單塔的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，將連體部分去除，并將連體部分的荷載以節(jié)點(diǎn)荷載或線荷載的方式輸入在與連體相連的框架柱和框架梁。因兩個塔樓呈左右完全對稱的關(guān)系，結(jié)構(gòu)計(jì)算僅計(jì)算分析一個塔樓，計(jì)算采用YJK軟件進(jìn)行。得出的主要計(jì)算結(jié)果見表3，前3階振型如圖6～圖8所示。

由表3可知，在不考慮連接體約束的情況下，單塔的位移角、周期比均滿足規(guī)范要求，剛重比滿足大于規(guī)范限值，且無需考慮二階效應(yīng)。從結(jié)構(gòu)布置及計(jì)算結(jié)構(gòu)可以看出，單塔核心筒Y向剛度比X向剛度大，第一振型為X向平動。對比連體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果可以看出，設(shè)置連體后，結(jié)構(gòu)X向剛度得到顯著增大，Y向剛度略有增加，第一振型變?yōu)閅向的平動。

5 連體結(jié)構(gòu)大震彈塑性時程分析

采用Sausage軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震作用下的彈塑性時程分析。梁、柱及斜撐采用Timoshenko梁單元模擬，該單元計(jì)入剪切變形剛度，轉(zhuǎn)角和位移各自獨(dú)立插值。剪力墻、連梁和樓板采用殼單元模擬。

選用一組人工波（R1）、兩組天然波（T1、T2）共三組地震波進(jìn)行大震作用下的彈塑性時程分析。彈塑性時程分析時，主方向、次方向與豎向地震波峰值比取1∶0.85∶0.65，地震波持續(xù)時間為30 s，主方向地震波峰值取220 cm/s2，Tg取0.5 s。

結(jié)構(gòu)在X方向的層間位移角最大值為1/187，結(jié)構(gòu)在Y方向的層間位移角最大值為1/181，兩個方向?qū)娱g位移角均滿足抗震性能目標(biāo)1/100的限值要求。

5.1 剪力墻抗震性能分析

剪力墻編號示意見圖9，各墻肢受壓損傷分布圖見圖10。從圖中可以看出，由于設(shè)置合理的剪力墻開洞形成連梁，連梁在大震下?lián)p傷耗能效果明顯，從而保護(hù)了承重墻肢，大部分墻肢無損傷或受壓損傷因子小于0.1，僅個別角部損傷因子大于0.1小于0.5，其分布寬度小于截面面積的50 %，且其鋼筋及鋼材塑性應(yīng)變均小于0.004。綜合考慮，可以認(rèn)為個別剪力墻為輕度損壞，大部分剪力墻為輕微損壞或無損壞，滿足預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)。

5.2 框架柱抗震性能分析

圖11給出了框架柱受壓損傷分布圖，圖12給出了框架柱鋼筋塑性應(yīng)變分布圖。從圖中可以看出，個別框架柱在柱頂混凝土出現(xiàn)受壓損傷，受壓損傷因子小于0.1，但未出現(xiàn)鋼筋及鋼材塑性應(yīng)變，表現(xiàn)為輕度損傷，大部分框架柱無損傷或輕微損傷，整體結(jié)構(gòu)仍可保證抗震承載力，框架在大震作用下的承載力仍有一定富余。

5.3 耗能構(gòu)件抗震性能分析

圖13給出了框架梁混凝土受壓損傷構(gòu)件統(tǒng)計(jì)圖，大部分框架梁表現(xiàn)為輕微損傷或輕度損傷。圖14、圖15分別給出了損傷最大樓層（34層）框架梁混凝土受壓損傷分布示意圖和鋼筋塑性應(yīng)變分布圖，可以看出，少量框架梁端出現(xiàn)中度的混凝土受壓損傷和鋼筋塑性應(yīng)變。考慮到框架梁可進(jìn)行塑性內(nèi)力重分布，整體結(jié)構(gòu)仍可保證抗震承載力。

5.4 連接體抗震性能分析

連體鋼桁架作為關(guān)鍵構(gòu)件，預(yù)設(shè)大震不屈服性能目標(biāo)。各桁架編號見圖16，HJ3在預(yù)估罕遇地震下鋼材塑性應(yīng)變見圖17，其他三榀與之類似。從計(jì)算結(jié)果可以看出，鋼材在預(yù)估的罕遇地震作用下未產(chǎn)生屈服應(yīng)變，滿足大震不屈服的性能目標(biāo)。

圖18給出了受荷最大的HJ3下弦跨中節(jié)點(diǎn)在三條地震波作用的豎向位移時程，從圖中可以看出在三條地震波作用下，HJ3下弦跨中節(jié)點(diǎn)的最大豎向位移24 mm，說明桁架具有足夠的豎向剛度。

6 單棟塔樓大震彈塑性時程分析

為了解單塔在大震作用下的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，將連體部分去除，并將連體部分的荷載以節(jié)點(diǎn)荷載或線荷載的方式輸入在與連體相連的框架柱和框架梁上。因兩個塔樓呈左右完全對稱的關(guān)系，結(jié)構(gòu)計(jì)算僅計(jì)算分析一個塔樓，采用SAUSAGE軟件進(jìn)行人工波（R1）作用下的動力彈塑性時程分析。

地震波作用下結(jié)構(gòu)X向最大層間位移角1/181，Y向最大層間位移角1/190，兩個方向?qū)娱g位移角均滿足抗震性能目標(biāo)1/100的限值要求，說明單棟塔樓模型在大震作用下，結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。結(jié)構(gòu)頂部核心筒角點(diǎn)的位移時程見圖20，所選用的節(jié)點(diǎn)位置示意見圖19。

7 連體鋼桁架抗連續(xù)倒塌分析

7.1 分析方法

基于連體鋼桁架的重要性，采用規(guī)范建議的拆除構(gòu)件法對連體鋼桁架進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析;驗(yàn)算選用的荷載工況：1.0恒+0.5活±0.2風(fēng)，正截面承載力驗(yàn)算時取材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，受剪承載力驗(yàn)算時取材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。HJ2、HJ3的構(gòu)件截面完全一致，且HJ3桁架的受荷面積較HJ2大，故選取HJ1、HJ3、HJ4進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析。

針對HJ1、HJ3、HJ4依次拆除構(gòu)件1、構(gòu)件2，每次只拆除一榀桁架的一根腹桿，構(gòu)件1、構(gòu)件2的位置分別見圖21、圖22。

7.2 分析結(jié)果

拆除構(gòu)件1后各榀桁架的計(jì)算結(jié)果見圖23～圖25。

拆除構(gòu)件2后各榀桁架的計(jì)算結(jié)果見圖26～圖28。

從圖23～圖28可以看出，各榀桁架在拆除支座腹桿構(gòu)件1或2后，剩余桁架桿件的應(yīng)力比仍可控制在1.0以內(nèi)，說明各榀連體桁架具有較多的冗余度，在某個關(guān)鍵構(gòu)件失效后，剩余桿件還能承受規(guī)定的豎向荷載及水平荷載，具有一定的抗連續(xù)倒塌能力。

通過桁架的抗連續(xù)倒塌分析結(jié)果也說明，將連體桁架的抗震性能目標(biāo)提高為中震彈性、大震不屈服是合理的，可以保證連體桁架具有一定的安全儲備。

8 結(jié)論

本工程為大跨高位連體結(jié)構(gòu)，采用YJK、ETABS兩種程序進(jìn)行小震的計(jì)算分析，對整體計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，各項(xiàng)參數(shù)滿足規(guī)范要求。采用SAUSAGE進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性動力時程分析，在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。個別剪力墻為輕度損壞，大部分剪力墻為輕微損壞或無損壞。少量框架柱在柱頂出現(xiàn)了混凝土受壓損傷，表現(xiàn)為輕微或輕度損傷。大部分框架梁表現(xiàn)為輕微損傷或輕度損傷，少量框架梁端出現(xiàn)中度的混凝土受壓損傷和鋼筋塑性應(yīng)變。鋼桁架受力性能良好，在罕遇地震下鋼材未出現(xiàn)塑性變形。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜明軍，許平，胡振杰，等. 某高位大跨連體超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2019，49（5）：83-89.

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[3] 沈蒲生.多塔與連體高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4] GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

3401500589251