不对称高层连体结构动力特性与抗震性能分析

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随着我国经济的迅速发展以及土地资源的逐步减少,高层建筑层出不穷,而建筑材料和建筑技术的提升使越来越多的连体高层不断涌现。连体建筑是通过空中连接体将两个或以上的建筑物连接起来,把两个建筑可以共享的空间放置在连接体上,既方便两楼使用,又能解决两楼的水平连通问题,使单调的建筑体型变得丰富多彩。因此连体建筑越来越受到建筑师的青睐而迅速发展起来,但连体建筑自身刚度不均匀的特性也给结构工程师带来了极大的挑战。国内外学者对连体结构的设计做了许多研究,也取得了很多成果,但由于单体建筑和连接体的位置形状变化较多,大部分文献都集中在对两侧为对称建筑单体连体结构的研究分析,而对于非对称连体建筑的研究则较为少见。本文以大连某IT产业办公楼为研究对象,研究不对称连体结构的动力特性和地震响应,主要研究工作和结论如下:(1)利用SAP2000建立工程实例的三维空间有限元模型,其小震下主要计算结果与工程实例原模型计算结果相近,表明SAP2000可用于本工程复核计算。对其进行模态分析,结果表明:相比较单体结构和对称连体结构,不对称连体结构平扭耦联现象明显,扭转效应提前。单塔选取前16阶振型,双塔选取前30阶,均满足振型参与系数不小于90%的要求,连体结构的复杂性决定在工程设计时要较常规建筑多选振型。西塔、东塔、连体结构自振周期分别为2.4034s、2.5101s、2.3143s,可以看出西塔自振周期在增加连接体后周期减小3.7%、而东塔减小7.8%,说明连接体设置对刚度小的单塔自振周期影响更为明显。变参数分析结果显示:连接体连接方式对连体结构动力特性影响极小;连接体位置对结构自振特性影响较为明显,当位于中间层时结构整体刚度较大,自振周期减小,加重了平扭耦联效应,对结构受力不利,而越靠近顶层扭转效应越不明显;连接体跨度对结构自振特性略有影响,跨度增大会使结构刚度略有减小。(2)选取设计反应谱,三条地震波(El-Centro波、集集波和人工波)对工程实例分别进行反应谱分析和弹性时程分析。两种分析结果均显示出连接体的设置主要影响结构X方向上的受力与变形,而对Y方向的影响较小。X向地震作用下,两座单塔楼地震响应接近一致,抗震性能各项指标接近1:1;Y向地震时,两者中体量大的单塔楼地震响应更明显,以反应谱分析结果为例,西塔最大层间位移角为东塔的1.75倍。同时,双塔连体结构各楼层层间位移角均满足规范要求,通过对比时程分析结果与反应谱分析结果也进一步验证了模型的准确性。(3)改变连接方式、连接体位置和跨度,对模型进行X方向上的变参数弹性时程分析,并对顶层位移、顶层加速度、层间位移角与基底反力进行参数变化前后的对比分析。根据计算结果可以得出:变参数对体量小的单塔楼影响大、连接体刚接铰接无差异、连接体设在顶层对结构有利、连接体跨度不宜过小。同时,本文也比较了不对称连体结构与对称连体结构抗震性能和变形能力的相同点与不同点。最后针对不对称连体建筑在工程设计方面提出若干实用性建议,为结构工程师提供一定的参考。
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