雙塔連體結(jié)構(gòu)的動力特性及地震響應(yīng)

1、引言隨著高層建筑高度的不斷增高，平面布置日趨復(fù)雜的同時，高層建筑豎向立。面造型日趨新穎，一些規(guī)模宏大，極富現(xiàn)代氣息的高層建筑為建筑師們所喜愛。因此，近年來高層連體建筑層出不窮，國內(nèi)最具代表性的有：北京西客站、深圳文錦大廈、上海凱旋大廈等。根據(jù)連體的剛度，連體結(jié)構(gòu)大致可分為兩種，一種形式為架空的連廊，兩個建筑之間可設(shè)置一個或多的連廊，其跨度可為幾米和幾十米不等，第二種可稱為凱旋門式，在兩個主體結(jié)構(gòu)的頂部若干層連接成整體樓層，連接體寬度與主體結(jié)構(gòu)接近。高層連體結(jié)構(gòu)由于連體的設(shè)置，使得各塔樓之間的振動互相耦合，并且連體的設(shè)置使得整個結(jié)構(gòu)沿豎向剛度和質(zhì)量分布不均勻，因此，連體結(jié)構(gòu)的自振振型較單塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多。連體結(jié)構(gòu)總體為一開口薄壁構(gòu)件，扭轉(zhuǎn)性能較差，扭轉(zhuǎn)振型豐富，地震作用下容易引起較大的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)，易使結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞。綜上所述，連體結(jié)構(gòu)的動力特性有其自身的特點，地震作用下的反應(yīng)與一般單塔結(jié)構(gòu)有較大差別，有必要進行進一步探討。2、連體結(jié)構(gòu)動力計算模型連體結(jié)構(gòu)一般為高層建筑結(jié)構(gòu)，因此，構(gòu)件數(shù)較多，其節(jié)點自由度非常龐大，而結(jié)構(gòu)計算時，起控制作用的往往是水平向的地震作用或風(fēng)荷載作用，根據(jù)這個特點，有必要對連體結(jié)構(gòu)水平荷載作用下的計算模型進行簡化，以達到計算精度與計算速度的平衡。通常采用的計算模型主要有“串并聯(lián)質(zhì)點系模型”，“串并聯(lián)剛片系模型”，以及“三維空間有限元模型”?！按⒙?lián)質(zhì)點系模型”是將塔樓各個樓層簡化為一個質(zhì)點，樓板上下各1/2層高的構(gòu)件質(zhì)量集中于該點，每個質(zhì)點只有沿主軸方向的兩個自由度，對于雙軸對稱以及單軸對稱的連體結(jié)構(gòu)，其在對稱軸方向的振動互不耦合，地震作用下只激勵地震作用方向上的平動振型，因此，這兩種情況下，對稱軸方向的地震作用計算，可以選用這種模型。對于不對稱連體結(jié)構(gòu)在雙向地震作用下以及單軸對稱連體結(jié)構(gòu)在非對稱軸方向地震作用下，結(jié)構(gòu)各樓層存在三個自由度，即兩個沿主軸方向的平動和繞樓層質(zhì)心的轉(zhuǎn)動，這種情況下，“串并聯(lián)剛片系模型”更能滿足要求?！叭S空間有限元模型”是將整個結(jié)構(gòu)根據(jù)抗側(cè)力構(gòu)件的特性，將其劃分為不同的單元，并將單元質(zhì)量集中于與單元相連的結(jié)點上，通過自由度的凝聚，將各結(jié)點自由度凝聚為樓層主軸方向和高度方向的三個平動自由度，最后，根據(jù)結(jié)點動力平衡方程求解。此種模型自由度數(shù)量太大，對計算機要求較高，這種模型的基礎(chǔ)之上，根據(jù)樓板平面內(nèi)剛度無窮大的假定將樓板平面內(nèi)的自由度凝聚為樓層質(zhì)心沿主軸方向的平動和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動，凝聚之后，總的結(jié)點動力自由度相應(yīng)地減少，從而，大大提高了計算速度。3、連體結(jié)構(gòu)動力特性分析由于連體結(jié)構(gòu)各塔樓間振動的耦合作用，連體結(jié)構(gòu)的動力特性有其自身的特點，不能套用單塔結(jié)構(gòu)的自振振型對其進行分析。因此，本文將對單塔結(jié)構(gòu)、雙軸對稱連體結(jié)構(gòu)和單軸對稱連體結(jié)構(gòu)進行動力特性對比分析，以進一步探討連體結(jié)構(gòu)自振特性的規(guī)律。本文算例來源于文獻[1]的某辦公樓工程，并對其結(jié)構(gòu)布置進行了調(diào)整。此工程結(jié)構(gòu)類型為框架-核心筒體系，為全現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平面為正方形，兩個方向柱網(wǎng)尺寸皆為3×10m,核心筒墻中線尺寸為12m×12m。地面以上共25層，除首層層高為4.5m外，其余均為3.5m。本文在此基礎(chǔ)上構(gòu)造連體結(jié)構(gòu)。本文算例分別為25層單塔結(jié)構(gòu)，25層雙軸對稱雙塔連體結(jié)構(gòu)（在23、24、25層設(shè)置連體），高塔為25層，低塔為18層的單軸對稱雙塔連體結(jié)構(gòu)（在16、17、18層設(shè)置連體）。本文采用三維空間有限元程序進行分析，筒體和樓板均采用殼單元，框架采用梁單元，根據(jù)分塊無限剛假定，在連體所在樓層處,將各塔樓樓板分別設(shè)為平面內(nèi)無限剛，連體部分的樓板設(shè)為彈性。前四振型分別如圖1、圖2、圖3所示，前十階自振周期見表1。表1自振周期的對比隆振型階次顏單塔（高塔）殼雙軸對稱雙塔禾連體結(jié)構(gòu)笛單軸對稱雙塔絮連體結(jié)構(gòu)訊1因1.413輝1.416戰(zhàn)1.270她2熟1.412揪1.398殖1.167青3圣0.648燒0.971抽0.733施4催0.316屑0.429姓0.383賭5紡0.316辰0.390拴0.339專6瞇0.225防0.357銀0.331罷7墻0.213塵0.317緩0.329張8賭0.208橋0.315呈0.320摟9爐0.207錘0.272切0.236戴10涂0.207賺0.213各0.229圖1.單塔結(jié)構(gòu)前四階振型圖2.雙軸對稱雙塔連體結(jié)構(gòu)前四階振型圖3.單軸對稱連體結(jié)構(gòu)前四階振型結(jié)果分析：⑴.從表中看出，單塔結(jié)構(gòu)與雙軸對稱連體結(jié)構(gòu)的第一階振型均為Y向的平動振型，且自振周期基本相等。這是因為兩塔樓Y向的剛度相等，Y向的平動振動具有對稱性，因此，兩塔樓沿Y向同步振動時，連體對兩塔樓并沒有約束作用，此時，整個結(jié)構(gòu)沿Y向的振動與單塔結(jié)構(gòu)Y向振動相似。單軸對稱連體結(jié)構(gòu)Y向周期小于單塔結(jié)構(gòu)，這是因為兩塔樓側(cè)向剛度不等，Y向振動不同步，由于連體在其樓層平面內(nèi)的剪切剛度和彎曲剛度較大，連體在其平面內(nèi)起到協(xié)調(diào)兩塔樓振動的作用，因此，連體對兩塔樓具有約束作用，即高塔Y方向振動受到制約，側(cè)向剛度有所增強，結(jié)構(gòu)的自振周期必然有所下降。需⑵伙.憲由表中得出，巾雙軸對稱連體之結(jié)梢構(gòu)陳X習(xí)向自振周期小加于高羨塔固X搶向自振周期。唱這是由于連體球本身具有一定浪的豎向抗彎能崖力，連體的設(shè)廁置增加了連體瞧結(jié)構(gòu)的縱向抗蜜彎剛度，使得蛇結(jié)構(gòu)的縱向抗哲彎整體性有所勉增強，從而使蹈其對應(yīng)的自振臂周期低于單塔丟結(jié)構(gòu)。同時，允我們從表中由城可以看出，單垃軸對稱連體結(jié)療構(gòu)喝X適向的平動周期嶺低于雙軸對稱蘋連體結(jié)構(gòu)，因喬為，對于連體錢結(jié)構(gòu)中的低塔績，南其瘋X恰向剛度大于高粘塔，在連體結(jié)和構(gòu)唱X疾向振動時，低鴨塔實際對高塔騰起到一定的支蓬撐作用，這種碗作用使得單軸避對稱連體結(jié)構(gòu)嚇的側(cè)向剛度較逢雙軸對稱有所偏增大，且介于約高塔和低塔之吊間，所以，不蘇難得出上面的衣結(jié)論?？偠运椭?，連體結(jié)構(gòu)賺的側(cè)向剛度增耀大來源于兩種類途徑，一種為娃連體本身的作紹用，另一種則陪是兩塔樓間的夠相互支撐作用慣。乒⑶毯.費從圖中可以看唇出，雙軸對稱脾連體結(jié)構(gòu)前兩挪階振型依然吊為兇Y淡向豐和伯X掘向的平動振型朗，而后兩階振丈型分別加為按Y膜向的平扭耦聯(lián)漢以及兩塔樓的漁純扭振型。從爭振型圖上可以娃看出，與單塔蛙結(jié)構(gòu)不同，連窄體結(jié)構(gòu)存在著匠兩塔樓的機同向振型和反稱向振型，在對濱稱雙塔結(jié)構(gòu)中懸表現(xiàn)為反對稱鋤振型和對稱振穿型，在水平地艇震作用下，由腎于對稱振型的裳振型參與系數(shù)梨為零，因此，棍地震作用下，滔對稱振型不被云激勵。弦⑷丈.踢從振型圖上看光出，連體結(jié)喪構(gòu)中X徹向振動安與護Y征向振動不耦合天，嘴且曬X斑方向振動只包浙含平動振動，青不包含扭轉(zhuǎn)分格量，瑞即征X的向地震作用下匙，只發(fā)某生說X晃向振動語，敞Y肝向分量和扭轉(zhuǎn)朋分量對結(jié)寄構(gòu)序X競方向地震下的搏響應(yīng)貢獻為零格，振型不被激惱勵。連體結(jié)悲構(gòu)榮Y壘向振動與扭轉(zhuǎn)績互相耦合，即景存在平扭耦聯(lián)蜓振型，雙軸對他稱連體結(jié)極構(gòu)風(fēng)Y落向的平扭耦聯(lián)廚振型的振型參壺與系數(shù)為零，蹦而單軸對稱連孔體結(jié)構(gòu)中，由踐于兩塔樓關(guān)渣于研Y煎非對稱，因此旁，籌Y藏向平扭耦聯(lián)振抄型的參與系數(shù)柏不為零，隨著饒對稱性的增強譽，奪Y渡向平扭耦聯(lián)振易型的參與系數(shù)屈會越來越小，猶最終趨于零。不⑸賭.縣從周期表中看多出，連體結(jié)構(gòu)撞的平扭耦聯(lián)振隸型周期與單塔第結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周洪期相比，更接哨近于基本周期杜，即連體結(jié)構(gòu)江的整體抗扭剛瓦度如與雄Y沸向側(cè)向剛度的甲比值較單塔結(jié)決構(gòu)小，因此，釘連體結(jié)構(gòu)的抗雅扭性能較差，層較易發(fā)生扭轉(zhuǎn)擠振動。巴4身、地震作用下道的響應(yīng)分租析察捐由以上分析可粱以看出，連體封結(jié)構(gòu)的動力特母性與單塔樓結(jié)蹲構(gòu)有較大的區(qū)屑別，平扭耦聯(lián)宮特性較為顯著六，因此，連體絞結(jié)構(gòu)在地震作川用下的響應(yīng)應(yīng)煮按整體進行分叔析。本文將采滑用振型分解反疲應(yīng)譜法對連體卵結(jié)構(gòu)分別進挨行黃X突向留和深Y姻向的地震反應(yīng)沈分析，設(shè)防烈疫度為七度，場老地土類別為第翼三類場地土，稿設(shè)計地震分組掘為第一組，阻劍尼比劑取羽0.0鏟5額。振型組合方飾式選取考慮平秩扭耦聯(lián)效應(yīng)屋的家CQ倍C團組合方法，參溉與組合的振型察數(shù)按照規(guī)范規(guī)刻定的振型參與贈質(zhì)量百分比之步和大求于炎90桌%逗為依據(jù)進行選業(yè)取，由于連體私結(jié)構(gòu)的低階振扎型中存在大量穿振型參與系數(shù)瓶較低的相對振鄭動振型，因此榮連體結(jié)構(gòu)參與束組合的振型數(shù)托較一般單塔結(jié)駱構(gòu)多了很多?？祵ΨQ雙塔連體容結(jié)構(gòu)在地震作側(cè)用下，連體對廈兩塔樓的約束悶作用較弱，塔虛樓的響應(yīng)與單蘆塔較為接近，楊本文主要基于習(xí)上面的算例對謙單軸對稱雙塔案連體結(jié)構(gòu)進行哀分析，研究單店軸對稱雙塔連宵體結(jié)構(gòu)地震作雪用下的響應(yīng)規(guī)凱律。同時，高愈塔樓取皺為乘2證5看層，低塔樓分漸別取巡為員2閥3橫層輪、特2好1培層遮、符1傾9掏層愚、毅1已7膛層奔、唐1晨5階層仇及落1摧3肢層，以考慮兩僅塔樓間的相對查高度對塔樓的啟內(nèi)力、位移和驅(qū)連體內(nèi)力的影海響。單軸對稱詳連體結(jié)醋構(gòu)笛X辛向鉗和脆Y魚向的地震作用慣響應(yīng)如翁圖事4腐、織圖予5躬所示。乎對議X掠向頂點側(cè)移的禮影響潛卸對兩X外向基底剪力的慮影響尤對泳X蛇向基底彎矩的靈影響捐窄對連體內(nèi)軸樓力的影卡對連體內(nèi)豎向圈彎矩的影響毅圖祥4.丘方單軸對稱連體市結(jié)憂構(gòu)拒X返向地震作用下消的響應(yīng)廉對個Y語向頂點位移的跳影響竟被對連體頂層各烘塔樓樓層位移所的影響海對改Y孩向基底剪力的弓影響秀嗽對早Y僑向基底彎矩的異影響捉對弱Y御向基底扭矩的迷影響停腸對連體端部水干平剪力的影響躁對連體端部水勁平面內(nèi)彎矩的施影響府對連銜體端部扭矩的崇影響逼圖亞5.姐威單軸對稱連體附結(jié)貞構(gòu)遲Y閘向地震作用下闖響應(yīng)結(jié)果分析：與(1)飛賄從分析結(jié)果我銅們看細(xì)出呈,抄單軸對稱連體類結(jié)構(gòu)歇在仙X崇向地震作用發(fā)下倍,漁只產(chǎn)農(nóng)生如X根向的響鉤應(yīng)吸,先Y木向變形和內(nèi)叢力贊,給結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變挎形和內(nèi)力均為撞零儲；勾Y甚向地震作用糟下賓,嗚存在扭轉(zhuǎn)變形府和內(nèi)竹力匪,浮X址向變形和內(nèi)力箏為零，分析結(jié)懷果驗證了我們歷此前的判斷。割(2)萬證從艙圖紅4完中我們看賊到反,井連體結(jié)構(gòu)高塔問樓盈X破向頂點位移隨咬著低塔樓層數(shù)臟的降低略有下呢降檔,弦低塔樓頂點側(cè)舉移則下降較圓快糊,怕下降幅度也較余高塔樓大。在仰低塔樓樓層勸從涉2谷5頌層降才至闊1豎3丘層的過程中，囑連體內(nèi)軸力是影的不斷上升的猜，即低塔對高獎塔的支撐作用恐在不斷增強，惰但由于低塔樓賺層數(shù)的降低，孕連體以上樓層鹽的相對局部振覺動有所增大，辛即如文洽獻脾5磚所述，整個結(jié)之構(gòu)剛度逐漸由嚴(yán)連體以上的單喉塔部分控制，鑼因此，高塔頂皺點位移降低速立率在低塔樓層茅降低的過程中貼有所降低，當(dāng)混降低至某一高雀度時，甚至?xí)叱霈F(xiàn)頂點位移框上升的情況。協(xié)低塔由于高度誦的下降，質(zhì)量擔(dān)的減少，地震獻作用的降低，嚇正如圖中所示拌，頂點位移會賀不斷下降。零(3)妥宵隨著低塔高度鄭的降低，低塔幟本身受到的地箭震作用也在不各斷減小，從而蜂，低塔基底剪鏈力也會有所下留降，由于連體圍的剪力傳遞作總用，高塔樓基雄底剪力將相應(yīng)嘴地減小。聞(4)喬蒼如施圖柄4哪所葡示輝,評兩塔樓基底彎業(yè)矩均隨低塔樓慶層的降低而不撓斷減小。低塔姐基底彎矩的減乒小主要由低塔提高度的降低以不及低塔本身地示震作用的減少松所至，而高塔凈除本身受到的棍地震作用以外某，連體軸力產(chǎn)嫁生的反彎矩以卷及連體端部的凱豎向彎矩均對呀其塔底彎矩有舅較大的影響，壩由于影響高塔告底部彎矩的因俗素較多，所以換其變化規(guī)律與摩低塔相比也相損對復(fù)雜一些。姐(5)窩盾從餓圖析4煌中看出，連體惰左端彎矩（和雖高塔相連）與井右端彎矩（和關(guān)低塔相連）相枕比較大，這是共因孤為象X瞞向地震作用下輩，連體所在樓長層可以看作受揚到上部塔樓集脂中彎矩的作用拉，這種作用使比得此端的彎矩冰與另一端相比密較大。差(6)巴統(tǒng)從襯圖轉(zhuǎn)5毒中可以看座出懼,聚當(dāng)?shù)退堑膶恿?xí)數(shù)閥從醬2艙3俱層降低下至彈1鈴3踏層的過程飄中宿,甜高星塔知Y猜向頂點位移呈灘逐漸下降的趨幫勢，這是因為丸在低塔樓降釣至鉗1檢3念層的過程噸中奪,鴿整個連體結(jié)構(gòu)線的側(cè)向剛度在減不斷上貴升略,序這種剛度的上微升導(dǎo)致頂點位府移的下降。腹(7)棗式在連體所在樓干層處，連體通術(shù)過其水平面內(nèi)厚較大的剪切剛唯度和彎曲剛度醋來約束兩塔樓純的側(cè)移和扭轉(zhuǎn)似，從而達到協(xié)峽調(diào)兩塔失樓撿Y猛向振動的作用鵲。如椅圖圖5盒所示，隨著低里塔樓層數(shù)的降務(wù)低，高塔和低稅塔在連體所在夠樓層處均將降停低，且兩塔樓包在此樓層處始拉終存漂在畜Y笨向的位移差，釣由于連體面內(nèi)達剪切剛度較大殿，水平面內(nèi)的經(jīng)相對變形很小研，因此，此處饞的兩塔樓皮的學(xué)Y缸向相對側(cè)移的影原因可以歸結(jié)鑼為連體所在樓憂層平面內(nèi)的整寸體扭轉(zhuǎn)。裂(8)穿食如棚圖治5治所慕示誠,鎖在低塔樓層數(shù)來降低的過程膨中抵,全連體內(nèi)的水平未剪力有所上滅升族,臘證明連體對兩束塔樓的約束作咬用有所增討強惑,漂高塔樓基飛底愧Y爬向剪力在地震激作用與連體約勢束的共同作用碰下有減小的趨產(chǎn)勢。從此圖中與還可以看出，怪隨著低塔樓層善從粘2橫3側(cè)層降嗚至念1柔3距層的過程中，翅兩塔樓的基底乒彎矩均有所減從小，低塔樓基福底彎矩的減小鏟主要由其質(zhì)量蘋的降低所致，裙而高塔基底彎拔矩受連體內(nèi)水無平剪力形成的俘反彎矩和連體鷹內(nèi)扭矩的影響中，它們作用的誘結(jié)果是使矮得傾Y柱向地震作用下仿的基底彎矩有晴所減小。乒(9)慨神由炭圖蓄5焰中的曲線，我釣們可以看出赴，穩(wěn)Y掌向地震作用下蘭，高塔與低塔駕的基底扭矩比蒼較接近，且兩凍者的和遠(yuǎn)小于因基底總扭矩。畏這個現(xiàn)象證明苗，較Y載向地震作用下境，本算例的連震體結(jié)構(gòu)以整體琴扭轉(zhuǎn)為主，各如塔樓的局部扭多轉(zhuǎn)所占比重較肆小，這主要取宜決于連體面內(nèi)椒彎剪剛度和各納塔樓的抗扭剛壯度，若連體面烤內(nèi)剛度和塔樓鹿抗扭剛度較大是，結(jié)構(gòu)以整體討扭轉(zhuǎn)為主，反勻之，則局部扭伯轉(zhuǎn)占比重較大潛。同時，扭轉(zhuǎn)夢降低了連體水秋平面內(nèi)的傳力砍效應(yīng)，因此，板一味地試圖通襲過增大連體面槳內(nèi)剛度來協(xié)調(diào)筑兩塔匹樓有Y為向側(cè)移，有時嗓候是得不償失脈的。陡（冤1訊0盼）襖X脆向地震作用錢下付,鉗連體處于拉壓岸交替作用狀胳態(tài)垂,怠Y醋向地震作用縮下庸,盤連體處于彎剪熊扭共同作用下稈的復(fù)雜受力狀驗態(tài)脾,擦因御此搶,華地震作用督下超,確連體受力極為捷不氏利曾,墨且連體與塔樓買連接拐角處存磚在應(yīng)力集脖中品,知所蓄以勿,譜連體應(yīng)采取必妨要的加強措施樓。5、結(jié)語周從本文的分析禁，我們看出雙惹塔連體結(jié)構(gòu)由壓于兩塔樓振動貴的耦合作用，杯其自振振型較型為復(fù)雜，存在戶同向振型和反磨向振型，對稱氏雙塔連體結(jié)構(gòu)紹的同向振型參礦與系數(shù)為零，忌即在地震作用從下不被激勵，匪因此，