1、竖向地震作用下双塔连体结构非线性时程解析摘要：双塔连体结构是通过连接体，将两个塔楼的上部连接在一起，形成即可以独立而又相互连通的独特的建筑结构形式。双塔连体结构以其新型的外观在建筑领域得到广泛应用。但是，双塔连体结构在地震的作用下，扭转现象非常明显，而且竖向地震作用下抗震效果如何，需要对双塔连体结构建筑体进行非线性时程分析，以确定最终的双塔连体结构的抗震能力。本文通过对某一双塔连体结构的数字化模型进行竖向地震波的输入，利用非线性时程分析方法，对双塔连体结构进行受力分析，研究受地震竖向分量的影响。结果表明，在竖向地震作用下，双塔连体结构在竖向存在一定的位移。 关键词: 竖向地震；双塔连体结构；非
2、线性时程；地震波； 中图分类号：TU74 文献标识码： A 随着我国建筑技术的不断进步，国内不断涌现新型的建筑结构，给建筑业带来新的生机。其中双塔连体结构，即将两个相互独立的建筑体在上部通过设置连廊将不同建筑物连在一起1，形成一个相互连接的共同体的结构形式，具有设计的独特性和外观的新颖性而在我国得到广泛应用。由于近几年来，我国陆地地壳运动频繁，地震多发，地震烈度各有不同，这就要求双塔连体结构的建筑体进行设计时必须要以建筑抗震设计规范 （GB50011-2001）2为指导，具有较强的抗震能力才行。因此，必须首先对双面塔连体结构进行抗震分析。不同地区，根据本地震活动情况，对模拟模型选择不同的地震波
3、输入模拟系统后，计算双塔体连体结构在地震中的位移情况来判断抗震效果，根据分析结果，在实际施工过程中，再对破坏程度较大的结构进行加固，使双塔连体结构的建筑体具有较好的抗震能力。本文仅对竖向地震作用下双塔连体结构进行非线性时程分析。 一、双塔连体结构的计算模型 某双塔连体结构为高度 28.5m 的对称性双塔连体结构医院建筑体。双塔连体结构采用 NosaCAD 软件建立结构的整体分析模型。由于 NosaCAD的模型模拟是通过 AutoCAD 软件建模实现的，因此，模拟建模在 AutoCAD中进行。整体结构的计算模型包括建筑体模型和双塔连体结构模型。建筑体由框架模型和剪力墙模型构成；双塔连体结构的计算
4、模型将节点数，总自由度数所构成的所有单元进行模拟，其中杆单元 734 个，四边形板壳单元 1327 个，三角形板壳单元为 56 个。 二、双塔连体结构的地震波选择与频谱分析 由于医院为重点医院，病患多，一旦发生地震，需要立即进行抢修，尽快恢 图 1 三种地震波竖向分量加速度谱 图 2 双塔连体结构竖向振型 复工作，是乙类场地，因此需要按 7 度地震烈度的抗震设计标准进行。7 度多遇地震和 7 度偶遇地震作用的加速度最大值分别为15，150cm/s2。在对这个医院双塔连体结构进行非线性时程分析时，由于埃而森特罗波（El Centro ）波时间间隔为 0.02 秒，持续时间取 54s适合于乙类场地
5、，而且 El Centro 波应用较广，它的竖向分量具有较高的频率，考虑到帕萨迪纳(Pasadena)波竖向分量频谱范围较广以及日本阪神(kobe)波竖向分量相对来说较大，这三种波的竖向作用对双塔连体结构的建筑体的影响都不可忽略，因此，选择 El Centro 波、Pasadena波和 kobe 波作为模型的地震波。 地震波的最大频率存在一定范围，如果双塔连体结构本身固有的特性频率恰恰符合地震波最大频率的范围，或者说是在地震波最大频率范围之内，可想而知，这种情况下双塔连体结构在地震波竖向分量的作用下就会产生共振，这种共振会对双塔连体结构造成非常大的破坏。图 1中曲线表明，El Centro 波
6、竖向分量加速度谱峰值周期分布范围较窄；Pasadena 波竖向分量加速度谱峰值周期分布较广；Kobe 波竖向分量加速度谱比较平缓，对结构有影响的周期分布较广。对该双塔连体结构进行模态分析可知，其竖直方向自振周期为 0. 535s，竖直方向振型如图2 所示。该结构的竖向自振周期偏离 El Centro 波竖向分量的峰值周期范围，而位于 Pasadena 波和 Kobe 波竖向分量峰值周期范围内。三种地震波竖向分量加速度频谱分析表明 Pasadena 波和 Kobe 波竖向分量对该连体结构影响较为明显，ElCentro 波竖向分量对该连体结构影响较小3。三、双塔连体结构的非线性时程分析 对双塔连体
7、结构进行地震波模拟输入时，分别按照 7 度多遇和 7 度偶遇对模型分别进行地震波的 El Centro 波、Pasadena 波和 kobe 波的输入。对地震波竖向分量进行初值校准，当输入地震波时，双塔连体结构的塔楼顶点节点在竖直方向上的位移就是地震波影响而产生的位移值。模型在地震波竖向分量的作用下，模型顶点位移时程达到最大值。当输入 7 度多遇地震波时，双塔连体结构的塔楼顶点节点在竖直方向的位移值分别为 El Centro 波 1.31/mm，Pasadena 波 0.32/mm，Kobe 波0.75/mm；当输入 7 度偶遇地震波时，双塔连体结构的塔楼顶点节点在竖直方向的位移值分别为 El
8、 Centro 波 5.27/mm，Pasadena 波1.95/mm，Kobe 波 4.81/mm。从这些数据可以看出，竖直方向的位移变化虽然不同，但并没有达到显著水平，说明结构在塔楼竖向构件上受地震作用受到破坏程度较小。 现在我们再来分析一下双塔连体结构中间结点的位移变化情况。在7 度多偶地震时，双塔连体结构中间结点位移量分别为 El Centro 波3.01/mm，Pasadena 波 0.97/mm，Kobe 波 2.14/mm；在 7 度偶遇地震时，El Centro 波 21.73/mm，Pasadena 波 12.08/mm，Kobe 波 13.32/mm。从这些数据可以看出，在
9、 7 度多偶地震时，双塔连体结构中间节点的竖向位移较小；在 7 度偶遇地震时，双塔连体结构中间节点竖向位移较大。产生这样的情况，主要是由于 7 度偶遇地震波竖直方向的分量使得双塔连体结构发生永久性变形。这种永久性变形就会对双塔连体结构造成很大的破坏。双塔连体结构中间节点在 7 度偶遇地震波的作用下，El Centro 波、Pasadena 波和 Kobe 波的影响不同。其中 Pasadena 波竖向分量对中间节点竖向位移的影响达到显著水平，而 El Centro 波和 Kobe 波在竖向分量作用下对中间节点影响相对很小。 对钢桁架进行时程分析时发现，7 度偶遇 Pasadena 地震波下，塔楼
10、顶点竖向位移增大 3.25%，连体钢桁架跨中节点竖向位移在地震波竖向分量的作用下增大 48.36%。因此，对于双塔连体结构的钢桁架连体部分在竖向地震波的作用下，钢桁架竖向位移影响较塔楼明显。已有研究表明，竖向地震作用对大跨度梁的跨中弯矩影响较大。本文研究的结构连体部分采用大跨钢桁架体系，桁架体系利用上下弦杆的轴力形成力偶来抵抗外荷载产生的弯矩。经过计算分析，发现竖向地震对连接构件的影响较小，其内力变化主要来自于水平地震的影响。 四、总结语 随着双塔连体结构在建筑业设计上的广泛应用，双塔连体结构受地震波的影响备受设计者的关注。本文对某医院双塔连体结构依靠电子计算机通过 NosaCAD 软件建立该
11、双塔连体结构的分析模型，仅分析竖向地震作用的影响，由于考虑到 ElCentro 波、Pasadena 波和 Kobe 波在竖向频率、竖向频谱范围和竖向分量均较大，因此，选用 El Centro 波、Pasadena 波和 Kobe 波三条地震波，对每一条地震波按考虑竖向分量进行弹塑性时程分析，并通过计算结果的对比分析得到以下结论:(1)结构时程分析结果和地震波频谱分析结果相一致，不同烈度、不同地震波竖向分量对结构的影响，主要与结构在地震作用下的损伤大小和地震波频谱特性有关。地震波频普分析表明 Pasadena 波和 Kobe 波竖向分量对该连体结构影响较为明显，ElCentro 波竖向分量对该
12、连体结构影响较小。(2)在坚向地震的作用下，双塔连体结构的建筑体塔楼竖向构件受影响，但没有达到显著水平。 (3)竖向地震作用对双塔连体结构中间节点有一定的影响，在 7 度多偶地震时，双塔连体结构中间节点的竖向位移较小；在 7 度偶遇地震时，双塔连体结构中间节点竖向位移较大。其中Pasadena 波竖向分量对中间节点竖向位移的影响达到显著水平，而 El Centro 波和 Kobe 波在竖向分量作用下对中间节点影响相对很小。 参考文献： 1谭光宇，沈蒲生.地震作用下双塔连体结构塔楼刚度对结构受力性能影响研究J.中外建筑，2008， （04）. 2张玉良，汤昱川，张铜生.设备速度相关型阻尼器减震结构非线性进程分析J.建筑结构，2004，34（03） 3韦晓栋，吴晓涵，钱江等.竖向地震作用下双塔连体结构非线性时程分析J.建筑结构，2012，42（06）.
