大跨高层连接体建筑结构动力研究

李小光

（重庆市市政设计研究院 重庆江北 400020）

大跨高层连接体建筑具有与普通高层建筑不同的结构动力，主要表现为主体结构与连接体发生的位移及层间位移可能存在一定差距，这就对两者的整体性提出很高要求，需要通过对结构动力的深入分析，为整体性改善提供依据。

1 工程概况

某高层建筑主体结构外部轮廓规格尺寸为（80×27）m，结构连接体的规格尺寸为（32×16）m。建筑主体结构为地上12层塔楼，地上8层至地上12层于塔楼之间由高位连接体进行连接。建筑主体结构采用框剪结构，结构柱截面尺寸为1000mm×1000mm与800mm×800mm，墙体厚度为450mm和300mm，局部200mm，采用无梁楼盖楼板，厚度为350mm和200mm。建筑连接体结构为钢结构，底层采用4榀钢桁架，以上3层采用钢框架，端部设有钢支撑。建筑所在场地的抗震设防烈度取Ⅷ度，属三类场地范畴。

2 建筑结构计算模型

利用有限元方法离散化处理建筑结构，计算模型主要由连接体及其各主体结构构成，将模型基底确定在地面上。梁柱按梁单元模拟；剪力墙按板单元模拟；主体结构与连接体间的其中一侧为铰支座，而另外一侧则为在纵向上的滑动制作[1]。

将模型坐标系确定如下：X轴与结构纵向保持平行；Y轴与结构横向保持平行；Z轴为竖直向上。建筑结构的材料为：①结构柱：地上1层至地上3层选用C60混凝土，地上4层选用C50混凝土，地上5层至地上8层选用C40混凝土，地上8层以上选用C30混凝土；②墙：地上1层至地上5层选用C40混凝土，地上5层以上选用C30混凝土；③梁、板：选用C40混凝土；④连接体：Q235钢。

3 建筑结构的模态与地震反应分析

3.1 模态分析

分析过程中对前40阶的振型进行计算，其中前10阶结构自振周期如表1所示。

1阶振型在Y向发生平动，主体结构产生变形略大于连接体；2～4阶为扭转振型；5阶振型在X向发生平动，连接体产生变形大于主体结构；6～10阶为局部振型。可见，因结构具有一定特殊性，所以无论是动力特性还是刚接，均有一定不同：前几阶振型当中，主要为扭转振型，在X向上发生的平动有明显滞后现象；6～10阶振型当中，对于连接体，其三个方向上与扭转振型均十分突出；结构介于刚接与无连接之间，其中右侧连接体与主体结构之间的连接相对较弱，在振动条件下，右侧连接体与主体结构之间的作用很小，致使两个主体结构产生不同的变形，其整体性差于刚接；因剪力墙的实际布置为不对称形式，所以具有偏心结构典型特征，直接影响扭转振型[2]。

表1 前10阶结构自振周期

3.2 地震反应分析

3.2.1 地震反应谱

场地的设防烈度取Ⅷ度，属三类场地范畴，50年超越概率63%反应谱的地震影响系数为0.16，反应谱的特征周期为0.45s。根据现行抗震技术规范确定反应谱曲线，通过分解完成计算。地震动作用在X、Y向上不断输入时，各结构实际计算结果如表2所示。

表2 结构在地震反应谱条件下的最大位移

由表2可知，X向的地震作用条件下，主要为水平方向上的平动，结构在X向上有很大抗侧刚度，但连接体很小，实际变形大于主体结构，层间位移角的最大值为1/554，可以达到主体结构的5倍；Y向的地震作用条件下，主要为Y向平动，因剪力墙的实际布置为不对称和不均匀，所以会产生一定扭转振动的分量；不同于X向的地震作用条件，Y向地震动作用输入后，层间位移的最大值，主体结构可以达到连接体2倍，尽管如此，连接体与主体结构都能满足现行技术规范；连接体与主体结构间的变形差相对较大，在整体性方面亟需改善。

3.2.2 地震时程反应

根据场地各项基本条件，选择下列三条地震波：①El Centro波；②Taft波；③人工波。根据规范确定的加速度峰值，调幅处理地震波。为对地震波持续作用下结构发生的时程反应进行检验，需要做以下分析：①结构顶点发生的最大位移；②顶点的加速度时程；③连接体与主体结构的层间位移；④连接体与主体结构各楼层节点对应的位移差时程。

（1）El Centro波

X向地震条件下，连接体在X向上的层间位移角最大可以达到1/730，相同条件下，主体结构只有1/3500，所以连接体变形是主要控制因素之一；在Y向地震条件下，与以上完全相反，连接体在Y向上的层间位移角最大不超过1/1700，相同条件下，主体结构为1/1016，相比之下主体结构发生的变形较大[3]。

通过计算与分析可知，如果地震作用在X轴上输入，则结构顶点在X向上的位移最大可以达到16.32mm，而采用规范反应谱分析的结果为22.42mm，增加了27.21%。如果地震作用在Y轴上输入，则结构顶点在Y向上的位移最大可以达到30.04mm，而采用规范反应谱分析的结果为27.58mm，减小了8.92%。产生这种偏差原因为长周期成分多于规范反应谱。Y向上的第1阶结构自振周期，该地震波谱值比规范反应谱大；而X向上的第1阶结构自振周期，该地震波谱值比反应谱小。从以上建筑结构角度讲，地震反应主要为第1阶结构振型。

（2）Taft波

X向地震条件下，连接体在X向上的层间位移角最大可以达到1/400，相同条件下，主体结构只有1/2050，连接体有较大的变形；Y向地震条件下，连接体在Y向上的层间位移角最大只有1/1590，主体结构却可以达到1/899，相比之下主体结构的变形较大[4]。

如果地震作用在X轴上输入，则结构顶点在X向上的位移最大可以达到31.46mm，而采用规范反应谱分析的结果为22.42mm，减小了40%。如果地震作用在Y轴上输入，则结构顶点在Y向上的位移最大可以达到33.44mm，而采用规范反应谱分析的结果为27.58mm，减小了21.25%。因该地震波处于0.2～0.95s频谱中的幅值大于规范反应谱，比如，X向上的第1阶结构自身周期对应的地震波谱值为2.05，规范反应谱只有1.57，增大了31%，使这一地震波条件下的结构反应大于规范反应谱[5]。

（3）人工波

X向地震条件下，连接体在X向上的层间位移角最大可以达到1/534，相同条件下，主体结构只有1/2941；连接体有较大的变形；Y向地震条件下，连接体在Y向上的层间位移角最大只有1/2276，主体结构却可以达到1/1141，相比之下主体结构的变形较大[6]。

如果地震作用在X轴上输入，则结构顶点在X向上的位移最大可以达到30.44mm，采用规范反应谱分析的结果为29.86mm，两者相差不大。如果地震作用在Y轴上输入，则结构顶点在Y向上的位移最大可以达到32.12mm，采用规范反应谱分析的结果为31.89mm，两者相差不大。可见，该地震波输入后，结构发生的反应与规范反应谱十分相近[7]。

4 结论

（1）针对双塔连体型建筑结构，因连接体两端和主体结构之间的连接有不同的边界条件，这使得结构的动力特性将变得十分复杂，表现为产生一系列复杂多变的振动模态。受到地震作用后，主体结构与连接体发生的变形将完全不同，整体性亟待改善。

（2）从结构的地震反应谱及时程分析结果可以看出，无论是主体结构还是连接体，其层间位移及位移都能达到抗震技术规范。

（3）为有效改善结构整体性，建议采用增设夹层钢板橡胶垫等措施。

[1]孙泽世，李果，李冠华.某超高层建筑大跨悬挑脚手架设计[J].城市住宅，2016，23（07）：129～131.

[2]苏成，黄志坚，刘小璐.高层建筑地震作用计算的时域显式随机模拟法[J].建筑结构学报，2015，36（01）：13～22.

[3]卢啸，甄伟，陆新征.最小地震剪力系数对超高层建筑结构抗震性能的影响[J].建筑结构学报，2014，35（05）：88～95.

[4]安东亚，汪大绥，周德源.高层建筑结构刚度退化与地震作用响应关系的理论分析[J].建筑结构学报，2014，35（04）：155～161.

[5]徐培福，肖从真，李建辉.高层建筑结构自振周期与结构高度关系及合理范围研究[J].土木工程学报，2014，47（02）：1～11.

[6]陈达锋.某大跨连体超限高层建筑结构抗震设计及弹塑性时程分析[J].建筑科学，2013，29（07）：117～121.

[7]范重，孔相立，刘学林.超高层建筑结构施工模拟技术最新进展与实践[J].施工技术，2012，41（14）：1～12+76.