带梁式转换层高层建筑结构的抗震性能分析——以某大底盘双塔结构实际工程为例

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某带梁式转换层的大底盘双塔结构体型复杂,属多项超限高层建筑结构,为保障该建筑结构的安全性和具有良好的抗震性能,本文对该结构的抗震性能进行分析研究。  首先,基于分段连续性的方法,建立结构的简化模型和振动微分方程组,基于软件MAPLE编制了求解微分方程组的程序,分析在水平地震作用下转换层高度变化对结构效应的影响,为工程设计提出合理的转换层高度位置初步方案建议;接着采用PKPM和MIDAS两款常用的专业软件分别建立结构的精确有限元分析模型,考虑双向地震作用、采用振型分解反应谱法对结构进行小震作用下的弹性计算,分析设计方案的合理性和可行性,并在解析法分析的基础上,进一步对转换层高度位置进行了多方案的对比分析,综合确定最终的、合理可行的转换层高度位置。并选取了一条人工地震波与两条天然地震波对结构进行弹性动力时程补充计算,验证了结构抗震性能指标的合理性。  其次,基于MIDAS软件,在弹性范围内,采用三种单元分别建立转换构件模型,计算不同单元类型情况下转换构件的内力,研究采用不同单元类型对转换构件内力计算结果的影响,为后续分析对转换构件单元的选取提供依据。接着,选取三根典型的转换梁作为分析对象,选择杆单元建立有限元分析模型,分析不同跨高比对转换梁内力的影响,进行转换梁合理跨高比的优选分析。  再次,采用动力弹塑性时程分析方法,基于武田三线型退化模型,研究了整体结构在罕遇地震作用下的弹塑性性能,对结构在大震作用下的变形进行了验算。  最后,采用静力弹塑性方法(Pushover)研究结构在罕遇地震作用下的抗震性能。根据以位移控制的能力谱法,选择FEMA骨架曲线和按模态加载形式的侧向力实施,找到结构的性能点,分析了结构整体抗震性能以及结构构件塑性铰发展情况,针对结构存在的薄弱部分提出了加强措施。  研究表明,结构具有较好的抗震性能,并得出以下主要结论:  1.采用解析法与有限元法进行结构的方案优选分析,得到的层间位移角的变化规律是基本一致的,将分段连续性简化模型的解析法,应用于该类带转换层大底盘双塔结构的初步方案优选分析中,是可靠的和合理可行的,具有较好实用性。  2.在小震双向作用下,带转换层大底盘双塔结构最大层间位移角通常出现在转换层以上的塔楼位置,亦为整体结构的中部位置,但大震作用下,内力重分布的结果使得刚度突变的转换层的层间位移角变为最大,转换层成为了变形集中的薄弱层。  3.在带转换层的非对称大底盘双塔结构中,抗侧刚度越大的塔楼,虽然其最大层间位移角越小,且最大层间位移角出现的高度位置越低,但是该最大层间位移角随转换层底部高度增加而增大的速率却越大。  4.改变转换梁的跨高比,对结构整体地震反应的影响不显著,而对转换梁自身的内力影响较大。实际工程中,可通过对有多种跨高比转换梁方案的结构进行分析,基于转换梁内力指标的优劣进行跨高比参数的优选。  5.优选后的最终结构方案,弹塑性分析得到的各项抗震性能指标均在规范规定的限值以内;整个结构耗能机制合理,满足“强柱弱梁,强剪弱弯”的抗震设计理念。针对结构在转换层、转换层以上的剪力墙加强层及塔楼顶层形成的薄弱环节,建议采取调整抗侧力结构刚度、改进底盘连体部位的结构布置、提高薄弱层的结构强度等措施进行改进或加强,适当提高薄弱层的强度,适当加大相应构件配筋率及配箍率,强化采用提高构件延性的构造措施。
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