基于ANSYS板式转换双塔结构反应谱分析

王广东

(中联西北工程设计研究院，陕西西安710082)

随着高层建筑的发展，大底盘多塔楼结构涌现了出来，该类结构是将底部几层布置成大底盘，上部采用两个或两个以上的塔楼作为主体结构。该种多塔楼的主要特点是：底部的裙楼连成整体，形成了一个大底盘。为了解决功能要求与结构合理布置上的矛盾，为了使两种截然不同的结构形式能够很好地衔接，一种全新的结构构件应运而生——转换构件。转换构件目前有四种类型应用最为广泛，分别为梁式转换、板式转换、桁架转换、箱型转换。此外除了上述几种类型外，近几年出现了柱式、搭接柱等新的转换类型，并已成功应用到工程实践中。

对于梁式转换结构的研究，目前已近成熟，应用也最为广泛。板式转换作为一种由梁式转换发展而来的转换结构，并没有比较全面的研究分析，特别是对于双塔结构这样的复杂结构类型而言。而运用大型有限元软件ANSYS分析此类结构，不同参数变化下的对比分析，在国内尚不多见。

1 双塔结构分析模型

1.1 ANSYS软件分析单元

在划分有限元模型时，选用BEAM4和SHELL63两类单元。其中，BEAM4用来模拟梁、柱，SHELL63用来模拟楼板、转换板、剪力墙等。

BEAM4为三维弹性梁单元，具有轴向拉压、扭转和弯曲，每个节点有六个自由度：沿节点三个坐标方向的线位移、绕三个坐标系的轴向角位移。

SHELL63为壳单元，具有弯曲能力和膜力，能够承受平面内的荷载和法向荷载。每个节点具有六个自由度：沿节点三个坐标系方向的平动和绕节点三个坐标系轴的转动。

选用这两类单元的主要原因：BEAM4和SHELL63单元的节点具有相同的自由度，能够实现单元之间的连续和协调，能够很好的实现单元之间力的传递，能够合理模拟梁、柱、筒体、剪力墙之间的连接和传力。

1.2 分析模型简介

基本模型：带有厚板转换的复杂高层建筑，结构的大底盘为5层，底盘的层高均为4.2 m；左右两个等高塔楼均为15层，塔楼的层高均取3.0 m。结构的总高度为66 m，转换板厚度取为1 500 mm。

主梁尺寸：1～5层为350 mm×700 mm，6～20层为250 mm×600 mm。

次梁尺寸：1～5层为250 mm×600 mm，6～20层为250 mm×500 mm。

楼板厚度：1～5层为120 mm，6～20层为100mm。

柱子尺寸：1～5层为1000 mm×1000 mm，6～20层为550 mm×550 mm。

剪力墙厚度：转换层以下为300 mm，转换层以上为200 mm。

各个构件的混凝土强度等级：1～5层，墙、柱为C50，梁、板为C40；转换板为C50；6～20层统一取为C40。

钢筋混凝土的密度，在建模时取统一采用2.5×106kg/mm3，材料假定为各向同性的线弹性材料，泊松比取为0.2。

对于钢筋混凝土结构，结构的阻尼比取为0.05。

本论文分析时不考虑地基和上部结构的相互作用，即认为上部结构与地基固结，将上部结构与地面接触的框架柱、剪力墙的所有结点，均作固结处理。

采用ANSYS软件建立的有限元模型如图1所示。

图1 结构有限元模型

2 反应谱分析

本工程按照8度设防烈度，设计基本地震加速度值为0.20 g,取为Ⅱ类场地，设计地震分组选为第二组，其场地特征周期为0.40 s，地震影响系数最大值αmax取为0.16，结构阻尼比为0.05。

分析采用两个工况：工况一为沿结构长向的地震作用、工况二为沿结构短向的地震作用。

振型在地震作用下计算的结构内力，本文按SRSS法进行组合，得到结构的最大地震作用力。

2.1 转换板厚度变化对结构的影响

板厚分别取1 000 mm、1 500 mm、2 000 mm三种工况进行分析。得到不同板厚情况下，对应的第一主应力分布云图，见图2～图4所示。

转换板的最大主应力随板厚的增加逐步减小，最大值的位置比较固定，位于电梯井口的四个角。

板厚不同时的位移及层间位移角曲线，如图5～图6所示。

图2 1000 mm厚板的第一应力云图分布

图3 1500 mm厚板的第一应力云图分布

图4 2000 mm厚板的第一应力云图分布

图5 楼层位移曲线

图6 楼层层间位移角曲线

从图5、图6可知，由于转换板上下存在刚度突变，结构的楼层位移及层间位移角曲线，均在转换板位置即21 m处出现了一个明显的拐点。这会导致竖向受力构件在转换板上下内力较大。结构抗侧刚度很大，两种工况下的最大层间位移角，均满足规范中规定的框架-核心筒弹性层间位移角1/800的限值。转换板厚度的增加，转换构件上部结构位移角有增大的趋势。随着转换结构板厚的增加，转换板以下部分的曲线逐渐变陡，充分说明各层的位移趋于相同，转换板及下部形成了一个整体。

2.2 转换板刚度变化对结构的影响

以1 500 mm厚板双塔模型为基准，其他条件不变的情况下，改变转换板刚度，分别采用0.5E、E、5E三种工况进行分析比较。转换板刚度不同时转换板的第一主应力分布云图，如图3、图7、图8所示。

图7 0.5E转换板的第一主应力

图8 5E转换板的第一主应力

转换板刚度不同时的应力云图，随着板刚度的增加，板的变形在逐渐减小，最大第一主应力在逐渐增大，应力的集中的位置变化不是很大。

双塔结构在其转换板刚度不同时的位移及层间位移角曲线，如图9、图10所示。

从图9、图10可知，由于转换板上下存在刚度突变，结构的楼层位移及层间位移角曲线，都在转换板位置处即21 m处出现了一个明显的拐点。导致竖向受力构件在转换板上下内力较大。结构抗侧刚度很大，两种工况下的最大层间位移角，均满足规范中规定的框架-核心筒弹性层间位移角1/800的限值。

图9 楼层位移曲线

图10 楼层层间位移角曲线

对比曲线可以看出：随着转换板刚度的增加，上下部分的突变越来越显著；随着转换结构板厚的增加，转换板以下部分的曲线逐渐变陡，充分说明各层的位移趋于相同，转换板及下部形成了一个整体；转换板刚度的增加对上部结构的影响不是很大。

2.3 转换板位置变化对结构的影响

在其他条件不变的情况下，改变转换板所处的位置，分别采用第五层、第四层、第三层三种工况，计算结构的模态及反应谱分析，对比说明转换板位置变化，对结构动力特性的影响。

转换板所处位置不同时，产生的第一主应力云图，如图3、图11、图12所示。

图11 转换板位于四层的第一主应力

图12 转换板位于三层的第一主应力

转换结构处于不同楼层位置时，它的位移及层间位移角曲线，见图13、图14所示。

图13 楼层位移曲线

图14 楼层层间位移角曲线

对比曲线可以看出：随着转换板位置的下移，上下部分的突变越来越显著；随着转换结构位置的下移，转换板以下部分的曲线逐渐变陡，充分说明各层的位移趋于相同，转换板及下部底盘形成了一个整体；转换板位置的变化对上部结构长向的影响比对结构短向的影响明显。

2.4 底盘刚度变化对结构的影响

在其他条件不变的情况下，改变底盘的整体刚度，分别采用0.5E、E、5E三种工况，计算结构的模态及反应谱分析，对比说明底盘刚度的变化对结构动力特性的影响。

第一主应力分布云图，如图3、图15、图16所示。

图15 底盘0.5E时的第一主应力

图16 底盘5E时的第一主应力

图17 楼层位移曲线

图18 楼层层间位移角曲线

从图13、图14可知：由于转换板上下存在刚度突变，结构的楼层位移及层间位移角曲线，都在转换板位置即21 m处出现了一个明显的拐点。这会导致竖向受力构件在转换板上下内力差别较大。结构整体抗侧刚度很大，两种工况下的最大层间位移角，均满足框架-核心筒弹性层间位移角1/800规范规定的限值。

对比曲线可以看出：随着底盘刚度的增大，转换板上下部分的突变越来越显著；随着底盘刚度的增加，转换板以下部分层间位移角变小，转换构件下部结构趋向于单自由度体系。而转换板处的突变增大，这对结构抗震极为不利；与转换板位置的变化对上部结构的影响正好相反。

3 结论

通过对结构进行各种参数的反应谱分析，可以得出下面几点结论：

(1)对分析模型施加沿结构长向和沿结构短向两个分析工况，得出结构在两种工况下的位移及层间位移角曲线。观察两类曲线能够清楚的看出，在设置转换层的楼层出现明显拐点，主要原因是厚板转换层的质量过于集中所致。对双塔结构取1/2模型得到的单塔模型，施加同样的地震工况，分析得出的数据曲线，也有同样的现象出现，该模型主要用于对比和校正数据的准确性。

(2)反应谱分析的层间位移角均满足规范中规定的弹性层间位移角限值。由第一强度理论知，转换板的最大第一主应力，小于结构采用C50混凝土的抗拉设计强度值，充分说明转换板处于弹性工作阶段，在七度地震作用下不会开裂，能够满足抗震设防要求。因此在八度区的应用有一定的可行性。

(3)考虑了参数对转换板反应谱分析的影响，这里选用了四个参数：转换板厚、转换板刚度、转换板的位置、结构的底盘。这四个参数的变化，均对结构的动力性能产生了一定的影响。模型的自振频率，随着板厚的增加、板刚度的增大、板位置的下移、底盘刚度在逐渐增大。结构分析中的转换板的沉降，随着板厚度的增加、板刚度的减小、转换位置的下降，出现了减小的趋势。

(4)经过分析可知，转换板中应力的集中部位受板的厚度变化、板的刚度变化、板的位置变化、底盘刚度变化不是很大，一般都集中出现在转换板的所在楼层洞口及上层剪力墙中，并且在洞口的角部，其主应力出现极大值，需要在设计中予以加强，也可以通过控制板的开洞率，来达到控制应力的要求。

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