不等高连体结构抗震及抗倒塌性能研究

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近年来,随着我国高层建筑的快速发展,连体结构常作为地标性建筑物的结构形式被广泛应用。目前,连体结构正向超高层、大跨度、多塔连体、连接方式复杂化等方面发展,但连体结构平扭耦联效应显著,现行规范对其抗震及抗倒塌性能又缺乏基于构件层次的定量评估。本文则以不等高连体结构为研究对象,采用多种软件针对典型的实际结构算例进行分析;研究了关键设计参数对整体结构抗震性能的影响;然后采用基于构件变形性能的抗震性能评估方法对不等高连体结构的抗震性能与抗倒塌性能进行分析;并对同类型结构的布置要点进行总结,为今后同类型结构的设计提供理论支持。主要研究内容与结论如下:(1)对比了四种不同连接体位置的不等高连体结构以及单塔结构的抗震性能,结果表明:同类型结构设计时,应该避免将连接体设置于低塔顶层;连接体宜设置于低塔的3/4高度处,能在增强整体结构刚度的同时降低连体楼层的扭转效应。(2)从主体塔楼高差以及平面组合方式两方面开展主体塔楼对整体结构抗震性能影响的研究,结果表明:同类型结构设计时,当低塔结构高度为高塔的1/2时对整体抗侧与抗扭性能更有利;并且应在塔楼的弱轴方向设置连接体,而避免在高塔强轴方向设置连接体造成非连体方向扭转偏大。(3)通过对比不同连接方式的连体结构的动力特性与动力响应发现:采用强连接(一端铰接一端刚接和两端刚接)方式会带来塔楼竖向不规则以及平面扭转偏大的问题。而采用一端柔性连接一端刚接(ER)则能有效地降低不等高连体结构的不规则程度,较好地发挥弱连接的优势;但应对受连接体影响较大的低塔进行连体模型与分塔模型的包络分析。(4)运用基于性能的抗震设计方法从结构整体性能、能量耗散以及构件变形性能三方面对不等高连体结构的抗震性能进行分析。结果表明:同类型结构设计时,为保证整体结构的变形性能宜采用一端柔性连接一端刚接(ER)的方式,同时柔性支座也能起到较好的耗能作用。结构相对薄弱的部位出现在连接体高塔支座处的上部楼层,建议对连接体在高塔支座处的框架柱进行构造加强,并将型钢向高塔支座的上部楼层延伸。(5)在以上分析基础上,对优化布置的不等高连体结构分别进行四个地震加速度工况下的弹塑性时程分析。结果表明:即使连接体布置于相对不利的低塔顶层,在弱连接方式的情况下连体楼层的各构件的塑性开展与构件失效仍然滞后于连体以下楼层,整体结构能保证连体楼层不过早失效。根据失效类型和顺序,各类构件也能实现“强剪弱弯”、“强柱弱梁”。(6)基于结构和构件在超越大震作用下的变形性能对不等连体结构的抗倒塌性能进行分析。结果表明:在不同倒塌判断准则中,构件失效准则最为严格,其次是位移角准则,最后是动力失稳准则。结构倒塌机制是:低塔首层竖向构件率先失效,然后连体以下楼层塑性迅速开展并出现大量竖向构件失效,最后低塔底部楼层层间位移角超过倒塌限值结构倒塌。低塔对整体结构的抗倒塌性能起控制作用,建议对低塔底部楼层的竖向构件进行构造加强,在提升低塔变形性能的同时进行专项的多道防线设计。
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