1、连接体结构高层建筑抗震性能影响因素的分析【摘要】连体结构是通过连接体将不同的结构连在一起，体型比较复杂，因此连体结构的受力一般比单体结构或多塔楼结构更复杂。由于连体的存在，使得原来彼此独立的各单体结构成为一个复杂结构系统中的一部分，在地震作用下连接体的存在使得原来独立发生振动的塔楼要相互作用、相互影响，因而其反应远 比单体结构和无连接体的多塔结构要复杂，会出现较强的平扭耦联等现象，因此连接体的设置改变了结构的动力特性。本文重点研究连接体结构高层建筑抗震性能的影响因素。【关键词】连接体；结构；抗震性能；影响因素前言随着世界经济及科学技术的快速发展，自20世纪80年代以来，一批现代高层建筑结构以全
2、新的形象出现在世界各地。为了体现建筑的新颖艺术造型及建筑多功能使用的要求，这些复杂的高层建筑采取了不同的高层建筑结构体系，连接体结构就是其中之一。连接体结构体系由于连体而形成较强的空间韧联作用，其分析模型、动力特性、破坏形式以及计算方法要比一般高层建筑复杂，在地震作用下由于连接体的存在使得由原来独立发生振动的塔楼要相互作用，在地震作用下的反应远比无连接体结构受力复杂。按照高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2003的定义，连体结构属于“复杂高层建筑结构，其整体结构的抗震性能及减震控制有待进一步的研究1。1 高层建筑连接体结构特点2连体结构因为通过连接体将不同结构连在一起，体型比一般结构较为复杂
3、，因此连体结构的受力比一般结构更为复杂。连体结构应关注下面几个方面问题。1.1 扭转效应当风或地震作用时，结构除产生平动变形以外，还会产生扭转变形，扭转变形随着两塔楼不对称性的增加而加剧。即使对于对称双塔连体结构，由于连接体楼板变形，两塔楼除了同向运动外，还会有相向运动，该振动形态是与整体结构的扭转振型耦合在一起的。在实际工程中，由于地震在不同塔楼之间的差异是存在的，两塔楼相向运动的振型形态极有可能发生响应，此时对连体部分的结构受力很不利。1.2 连接体部分的设计连接体部分一方面要协调两侧结构的变形，在水平方向荷载作用下承受较大的内力；另一方面当本身跨度较大时，除竖向荷载作用外，竖向地震作用影
4、响也较明显。1.3 连接体两端的连接方式连接体与两侧塔楼的支座连接是连体结构的另一关键问题，连接处理方式一般根据建筑方案与布置确定，可以有刚性连接、铰接、滑动连接等连接方式，但每一种方式均应进一步优化出较佳的方法和构造措施。2 连体结构的分类2.1 根据连体结构的对称性分类2.1.1 双轴对称连体结构当塔楼和连体的平面、立面布置，刚度和质量分布关于X、Y轴完全对称且双塔关于各自对称轴对称时，称为双轴对称连体结构。2.1.2 单轴对称连体结构当塔楼和连体的平面、立面布置，刚度和质量分布仅关于X或Y轴对称且双塔关于各自对称轴也具有相应的对称形式时，称为单轴对称连体结构。2.1.3 非对称连体结构当
5、塔楼和连体的平面、立面布置，刚度和质量分布关于X、Y轴均不对称称为非对称连体结构。2.2 根据连体结构与塔楼的连接方式分类2.2.1 强连接连体结构当连接体结构包含多个楼盖，且连接体刚度足够，能将主体结构连接为整体协调受力、变形时，为强连接连体结构。两端刚接或两端铰接的连体结构均属于强连接连体结构。2.2.2 弱连接连体结构当两个建筑之间设置一个或多个连廊时，连接体结构较弱，无法协调连体两侧的结构共同工作时，为弱连接连体结构，可做成连接体一端与主体结构铰接，一端做成滑动支座；或两端均做成滑动支座。3 连接体结构高层建筑抗震性影响因素3.1 连接体位置的影响33.1.1 连廊位置变化，对结构的基
6、本自振周期影响不大，且其大小介于相邻结构周期之间。3.1.2 连廊的设置对于结构顶层位移的影响较大且使其减小，说明设置连廊就顶层位移而言是有利的，并且随着连廊位置的上升，顶层位移逐渐减小。3.1.3 连廊位置变化，对层间位移的影响较大，针对非对称连体结构，连廊应尽可能被放置在顶层位置处，如必须设置在中间层，则需进一步验算相邻楼层的薄弱层，并采取相应的措施。3.1.4 在非对称连体结构中，连廊位置变化对基底剪力有一定的影响，规律性不强，连接体受力复杂且往往很不利。3.2 连接体刚度的影响43.2.1 在纵向荷载作用下，当连体轴向相对刚度(取为上下连杆的相对刚度之和)达到一定的值时，两塔楼顶部x向
7、侧移才接近，并随着刚度的增加，接近程度加大，直至两者相等。连梁轴向刚度一开始增大时，上下连梁的轴力都在增大，但当刚度达到一定数值时下连梁轴力继续增大，而上连梁的轴力却开始减小，但连梁总轴力只有少量的增加。增大连梁在竖向平面内的抗弯刚度可以减小两塔楼的侧向变形，当较大时的双塔连体结构己类似于高层建筑中的巨型门式结构。连梁在水平面内的弯矩基本为零，竖向平面内的端部弯矩随着连梁刚度的增大，梁端弯矩也一直在增大。3.2.2 横向荷载作用下当连体相对刚度较小时，连梁的连接作用很弱；随着连体相对刚度增大，荷载作用的塔楼顶部横向侧移减小，另一塔楼顶部横向侧移增大，两塔顶部转角增大；当相对刚度达到一定数值时塔
8、顶位移变化很小。两塔楼顶部的转角一直都很接近，这是因为塔楼的扭转是由连梁端部的弯矩反作用在塔楼上引起的，而连梁两端的弯矩接近，所以两塔楼作用的扭矩也相差无几，导致塔楼每一楼层的扭转角都很相近。连梁的轴力和竖向平面内的弯矩基本为零，注意到上连梁端部弯矩一直比下连梁端部弯矩大，连梁刚度越大，两者的差值越大。连梁水平面内的弯曲刚度达到一定数值时，此时连梁可视为面内刚度无穷大。3.3 连接方式对位移响应的影响3.3.1 对层间位移的影响（1）在两端刚接和两端铰接情况下，无论是高塔还是低塔，其在X、Y向的层间位移基本相同，刚接和铰接对两塔楼的层间位移基本没有影响；（2）对两个塔楼的X向层间位移来说，采用
9、强连接和弱连接两种连接方式时，弱连接方式能有效地改善(或减小)离连廊较远处的塔楼楼层的层间位移，使得这些楼层的层间位移比强连接方式时更小。而对于连廊上下附近的塔楼楼层，采用强连接方式时的层间位移比弱连接方式要小。这说明采用弱连接方式时，由于连廊的连接作用较弱，两塔楼基本是各自独立地发生变形，受连廊的约束较小；而采用强连接方式时，由于连接作用的加强，在连廊附近的塔楼楼层受到连廊较强的约束，使得这些楼层的变形受到一定的限制，所以其层间位移小于弱连接时的位移。对于离连廊较远处的塔楼楼层，强连接对其的约束很小，而弱连接由于有叠层橡胶支座和阻尼器的耗能作用，使得两个塔楼的地震作用被减小了，从而使得在这些
10、楼层处的位移反应比强连接时更小；（3）对两塔楼的各层Y向层间位移来说，强连接基本上都比弱连接的位移反应要大，并且，在三种弱连接方式中，减小塔楼位移反应最显著的就是两端橡胶支座+阻尼器的连接方式，两端支座连接方式次之，铰接+支座的连接方式减小塔楼位移反应的大小不如前两种弱连接方式。3.3.2 对最大楼层位移的影响（1）总的来说，对于两个塔楼的各层X、Y向最大楼层位移，其变化特点是：随着连接的减弱，最大楼层位移也在减小，尤其对于高塔更是如此；（2）当采用铰接+支座的连接方式时，由于连廊与高塔铰接，与低塔支座连接，因此，在连廊上下附近的几个塔楼楼层，低塔两个方向的楼层位移均比强连接时大，而高塔两个方
11、向的楼层位移均比强连接时小，这是由于连廊两端连接形式的差异所造成的；（3）与强连接方式相比，带有阻尼器的连接方式能够比较显著的改善(或减小)两塔的楼层位移反应，并且，随着两个塔楼楼层号的增加，这种改善的效果越明显。4 结论在地震作用下由于连接体的存在使原来独立发生振动的塔楼相互作用、相互影响，在地震作用下出现连接体部分受力复杂，扭转振动变形大等现象，在地震中已经形成较为严重的损失。并且连接体结构抗震性能的影响因素较多且复杂，因此对连体高层建筑的研究具有一定的现实意义。参考文献1庞迎波，双塔弱连接连体结构的地震反应时程分析及其振动控制D，广西大学：硕士学位论文，20082周丽，连接体位置变化对连体结构抗震性能的影响和弱连接体结构的简化计算D，兰州大学：硕士学位论文，20083杜永峰，李春峰，连廊位置对高层连体结构地震响应的影响，工程抗震与加固改造，2008.6(30)4黄坤耀，双塔连体结构的静力抗震和抗风分析D，杭州：浙江大学，2001
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