大底盘等高双塔结构的抗震性能

刘晓真，雷庆关

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥230601)

随着我国的城镇化进程，为了充分利用土地，满足人们对建筑的使用要求，设计师们更加倾向设计高层建筑，大底盘双塔高层建筑便是这个时代的产物。对大底盘双塔结构而言，因其复杂性及震害的严重性，抗震分析就显得尤为重要。

大底盘双塔结构是指两个等高塔楼通过底部不设变形缝的裙房连成整体的建筑物［1］。如果两座塔楼通过悬空连接体衔接，称其为大底盘双塔连体结构。这类结构通常由大底盘、塔楼和连接体构成［2］。

因大底盘双塔建筑结构体量庞大，建筑构件种类复杂且数目繁多，所以为便于对这类结构进行地震响应和动力特性分析，需要对其计算模型进行简化处理［3］。建立大底盘等高双塔结构模型，先对模型进行双向地震作用下的反应谱分析，由分析所得结构楼层位移，算出层间位移角，判断结构抗震性能，再利用三种地震波对模型进行线性时程分析，判定结构在地震作用下的响应，找出薄弱层［4］，最后进行静力非线性分析，通过塑性铰的发展变化，进一步评估结构抗震性能。

1 工程算例

本文研究的等高双塔结构为办公商用综合大楼，是钢筋混凝土框架结构，抗震设防烈度是8°，建筑物场地类别是Ⅱ类，受力筋采用HRB400钢筋，箍筋采用HPB300钢筋。采用强度为C40梁、柱，裙房结构采用强度为C40板，上部结构采用强度为C30板，下部裙房结构板厚取150 mm，上部双塔结构板厚取120 mm。梁上均布线荷载为10 kN/m，楼面活荷载为2.0 kN/m2，楼面恒荷载为4.5 kN/m2。1～4层是商用部分，楼层高度为4.8 m，5～18层为办公所用，楼层高度为3.6 m，横向柱距边跨为6 m，中间跨为8 m，纵向柱距为6 m，柱截面选用1 100 mm×1 100 mm，950 mm×950 mm，梁截面采用600 mm×900 mm，600 mm×800 mm，连体部位钢桁架采用H600 mm×300 mm×12 mm×20 mm。模型1和模型2是等高双塔结构，塔高为69.6 m。如图1、图2所示。

图1 大底盘等高双塔结构模型1

图2 大底盘等高双塔连体结构模型2

2 双向反应谱分析

很多情况下我们只考虑水平地震作用对结构的影响，因为大部分的地震灾害表明，水平地震对结构的影响远比竖向地震对结构的影响大。只有对不规则结构进行抗震分析时才考虑竖向地震作用对结构的影响［5］。

本文采用的地震影响系数曲线如图3所示。

图3 地震影响系数曲线

对大底盘等高双塔模型进行双向反应谱分析，经计算得到楼层位移和层间位移角(见表1)。

表1 双向反应谱分析下结构的楼层位移和层间位移角

续表

双向反应谱分析下模型1和模型2的层间位移角包络图如图4、图5所示。

图4 反应谱分析下模型1与模型2在X方向层间位移角包络图

图5 反应谱分析下模型1与模型2在Y方向层间位移角包络图

由表1及图4、图5可知:

(1)反应谱分析下，在X方向:模型1和模型2层间位移角最大值都出现在第七层，分别为1/654、1/794，都小于1/550，符合规范对钢筋混凝土框架结构层间位移角限值的规定。转换层为第4层，模型1和模型2层间位移角是1/1 258、1/1 076，而第5层所对应的层间位移角是1/925、1/966，相邻两楼层有明显的突变［6］。Y方向分析结果与X方向结果一致。

(2)模型2为连体结构，在第15层进行连接，其整体性提高，而层间位移角发生突变。

(3)大底盘双塔连体结构比大底盘双塔结构整体刚度大［7］。

3 线性时程分析

时程分析分为线性时程分析和非线性时程分析，线性分析所得出的结果可以直接用于结构的设计，它是以时间函数的方式把动力作用引到微分方程中去，结构中每时每刻的地震响应及其响应的变化都可以通过积分的方式获得。

对EL-centro波、Taft波及Lanzhou1波做相应调幅之后，输入模型中进行弹性时程分析，模型1和模型2弹性时程分析下楼层位移和层间位移角如表2、表3所示。

表2 线性时程分析下模型1的楼层位移和层间位移角

续表

表3 线性时程分析下模型2的楼层位移和层间位移角

线性时程分析下模型1和模型2的层间位移角包络图如图6、图7所示。

由表2、表3及图6、图7可知:

(1)在EL-centro波作用下模型1和模型2顶点最大位移是70.147 mm、56.968 mm，层间位移角最大值是1/650、1/646;在Taft波作用下顶点位移最大值为61.456 mm、50.560 mm，层间位移角最大值为1/822、1/950;在Lanzhou1波作用下顶点最大位移是55.386 mm、46.827 mm，层间位移角最大值是1/939、1 /1 111，均小于1/550，满足规范对钢筋混凝土框架结构层间位移角限值的规定。转换层为第4层，相邻两楼层层间位移角有显著突变。

图6 线性时程分析下模型1层间位移角包络图

图7 线性时程分析下模型2层间位移角包络图

(2)对同一模型来说，EL-centro波作用下顶点最大位移比Taft波作用下顶点最大位移大，Lanzhou1波作用下的顶点位移是最小的。

4 Pushover分析法

Pushover分析法实际上属于静力非线性分析，是介于弹性时程与弹塑性时程之间的分析方法，比非线性时程分析简单，它是对结构以某一形式施加水平荷载，同时施加竖向荷载，而竖向荷载保持不变，水平荷载增加使模型控制点达到目标。人们越来越多选用静力非线性分析方法对大底盘双塔结构抗震性能进行分析［8］。

框架梁、柱的塑性铰为默认铰，布置在梁、柱两端，距端部相对距离为0.1、0.9。对模型1、模型2进行Pushover分析，塑性铰的最终发展情况如图8、图9所示。

图8 模型1塑性铰的发展

图9 模型2塑性铰的发展

由图8、图9塑性铰发展情况可知:

(1)模型1大底盘梁端上和右塔梁端上出现大量B状态塑性铰，左塔中间位置梁端上出现LS和C状态塑性铰，第五层的柱端上和第十三、十四层的梁端上出现IO状态的塑性铰，最上部梁端、柱端上的塑性铰仍处于B状态。

(2)模型2第一层的梁端、柱端出现大量B状态塑性铰，第二、三层的梁端上出现大量IO状态的塑性铰，柱端上塑性铰仍处于B状态，第五层到第十四层梁端上出现大量C状态塑性铰，柱端上也出现少量的IO、LS状态塑性铰，最上面四层的梁端、柱端上仍然为B状态塑性铰。

(3)塑性铰先出现在梁段上，当梁段上出现大量的塑性铰后，柱端塑性铰才出现并且发展缓慢。塑性铰的完全失效也出现在梁端。符合抗震规范“强柱弱梁”要求，与前面线性分析的结果相一致。

5 小结

本文主要是对大底盘等高双塔结构的抗震性能进行研究，建立模型，分别进行双向反应谱分析、线性时程分析及pushover分析，对结构抗震性进行评估，得出以下结论:

(1)对模型进行双向地震作用下的反应谱分析，计算可知结构层间位移角都符合1/550限制要求。

(2)对两个模型分别输入两条实际记录地震波和一条人工地震波，进行线性时程分析，经计算得结构层间位移角，找出结构薄弱层。分析可知:在不同地震波作用下，结构的反应不相同，结构在EL-centro波作用下的反应比Taft波作用下的反应大。

(3)先对结构指定铰、定义荷载，再对结构塑性铰发展过程进行分析。分析结果表明:结构抗震性能良好，塑性铰先出现在梁上，然后出现在柱上，塑性铰的发展满足“强柱弱梁”要求，与前面线性分析结果一致。

［1］ 沈蒲生.多塔与连体高层结构设计与施工［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［2］ 何志军，丁洁民，吴宏磊.上海国际设计中心不对称双塔连体结构设计研究［J］.建筑结构，2008(9):47－51.

［3］ 石文龙，孙飞飞，李国强.某多塔连体高层建筑的竖向地震反应分析［J］.建筑结构，2007，37(8):65－69.

［4］ 陈孝坚.多高层房屋结构抗震设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2013.

［5］ 建筑抗震设计规范:GB50011－2010［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［6］ 包世华，王建东.大底盘多塔楼连体结构的振动计算和动力特性［J］.建筑结构，1997(6):40－44.

［7］ 吴耀辉.大底盘双塔连体高层建筑的抗震与减振分析［D］.南京:东南大学，2004.

［8］ 魏利金，崔世敏，史炎升.复杂超限高位大跨度连体结构设计［J］.建筑结构，2013，43(2):12－16.