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本文研究对象为一位于8度(0.2g)区的双塔高位刚接连体结构,其集复杂连接、高度超限、平面不规则、消能减震等特点于一体。该结构由高度138.15m的低塔和高度195.15m的高塔在26—29层通过3层4个楼面刚性连接形成,其中低塔核心筒偏置。由168套粘滞阻尼器和136套屈曲约束支撑组成消能减震方案,消能器的布置形式包括分散布置的墙式粘滞阻尼器、集中布置的悬臂式阻尼桁架、分散布置的“人”字撑形屈曲约束支撑及集中布置的腰桁架(腹杆为屈曲约束支撑)。围绕这一对象,研究的主要问题和内容立足4个方面。
其一,两个塔楼沿结构两个主轴方向的相互作用机制及此作用对连接体构件内力的影响。连接体的方案和性能控制是该结构设计中的关键环节。两个塔楼间的相互作用机制则是洞悉这一环节的关键特征。本文采用振型分解反应谱法,以两款分析软件的结果为依据,通过筛选结构主要指标揭示了这一相互作用机制。且建立简单结构模型,结合构件内力,阐述了连接体各构件对相互作用的贡献。
其二,消能器响应与以弯剪型为变形特点的高层结构位移间相关性。分析二者间相关性有益于高效布置消能器、理解消能减震结构的分析结果。以本文研究对象所使用的2种减震装置、3种布置形式为基础,从弯剪型变形出发,分解了减震结构单元的变形。通过建立算例,验证变形分解的正确性,建立消能器响应与结构位移的相关性。
其三,研究对象在多遇水准和罕遇水准下的减震效果。多遇水准下,分别计算7组地面运动下非减震结构和减震结构的响应,从宏观指标和细部特征进行对比。同时,对比分析了两种计算附加阻尼比的方法,探讨了不同消能器布置方式在能量耗散上的异同;罕遇水准下,分别计算3组地面运动下非减震结构与减震结构的响应。从宏观指标、能量耗散机制、结构性能状态方面分析了减震效果。对比了不同布置形式下消能器的响应特点。
其四,减震结构在罕遇水准下的性能状态。以减震结构非线性动力反应分析结果为依据,分析减震结构中各构件的性能状态,判断结构在罕遇水准下的安全性及是否形成预期合理的塑性分布机制。
通过研究上述4个方面的问题及完成相应分析工作,本文得到的主要结论有:
1)经过工程师的系统设计,B塔各振型间耦联情况尚佳,多遇水准下结构的各项指标满足规范限值。两塔楼间的相互作用可理解为“帮扶机制”。这种机制在X向表现为结构的整体扭转,Y向则表现为类似门式刚架的传力方式。在这样的机制下,连接体的受力类似承受大剪力、大弯矩、不可忽视轴力的小跨高比连梁。其中,主桁架的腹杆提供抗剪能力,主桁架的上下弦杆、面内斜撑及连接体底层和顶层楼板提供抗弯能力。结合设计结果,腹杆的截面尺寸大受力大。主桁架截面由Y向地震作用下的内力控制。
2)在移除无害变形和次要变形后,得到各布置形式下减震器响应与结构位移间的相关性。形式A中VFD的最大阻尼力、最大位移与剪切角具备相关性,形式B中BRB的最大位移与剪切角具备相关性。就形式C,提出子区格弯曲角的概念,证明VFD的最大阻尼力、最大位移与子区格弯曲变形具备相关性。
3)多遇水准下,B塔层间位移角的减幅各楼层基本可达到10%左右,能量比法和规范方法计算得到附加阻尼比分别为1%、1.4%,墙式粘滞阻尼器附加的耗能占总附加耗能的55%左右,悬臂式阻尼桁架附加的耗能占总附加耗能的45%左右。
4)罕遇水准下,B塔层间位移角的减幅各楼层基本可达到5%左右。非减震结构中非弹性耗能占总耗能的51%,减震结构中非弹性耗能占总耗能的45%。墙式粘滞阻尼器附加的耗能占总附加耗能的60%左右,悬臂式阻尼桁架附加的耗能占总耗能的30%左右,屈曲约束支撑附加的耗能占总耗能的10%左右。
5)罕遇水准下,减震结构的塑性发育主要集中在连梁和框架梁且连梁的塑性程度更大。剪力墙仅底部一层发生很小的屈服,极少框架柱屈服。连接体主桁架少量腹杆屈服。当地面运动主向沿Y向作用时结构的性能状态略优于沿X向。B塔在罕遇水准下的屈服机制符合预期,结构安全。
其一,两个塔楼沿结构两个主轴方向的相互作用机制及此作用对连接体构件内力的影响。连接体的方案和性能控制是该结构设计中的关键环节。两个塔楼间的相互作用机制则是洞悉这一环节的关键特征。本文采用振型分解反应谱法,以两款分析软件的结果为依据,通过筛选结构主要指标揭示了这一相互作用机制。且建立简单结构模型,结合构件内力,阐述了连接体各构件对相互作用的贡献。
其二,消能器响应与以弯剪型为变形特点的高层结构位移间相关性。分析二者间相关性有益于高效布置消能器、理解消能减震结构的分析结果。以本文研究对象所使用的2种减震装置、3种布置形式为基础,从弯剪型变形出发,分解了减震结构单元的变形。通过建立算例,验证变形分解的正确性,建立消能器响应与结构位移的相关性。
其三,研究对象在多遇水准和罕遇水准下的减震效果。多遇水准下,分别计算7组地面运动下非减震结构和减震结构的响应,从宏观指标和细部特征进行对比。同时,对比分析了两种计算附加阻尼比的方法,探讨了不同消能器布置方式在能量耗散上的异同;罕遇水准下,分别计算3组地面运动下非减震结构与减震结构的响应。从宏观指标、能量耗散机制、结构性能状态方面分析了减震效果。对比了不同布置形式下消能器的响应特点。
其四,减震结构在罕遇水准下的性能状态。以减震结构非线性动力反应分析结果为依据,分析减震结构中各构件的性能状态,判断结构在罕遇水准下的安全性及是否形成预期合理的塑性分布机制。
通过研究上述4个方面的问题及完成相应分析工作,本文得到的主要结论有:
1)经过工程师的系统设计,B塔各振型间耦联情况尚佳,多遇水准下结构的各项指标满足规范限值。两塔楼间的相互作用可理解为“帮扶机制”。这种机制在X向表现为结构的整体扭转,Y向则表现为类似门式刚架的传力方式。在这样的机制下,连接体的受力类似承受大剪力、大弯矩、不可忽视轴力的小跨高比连梁。其中,主桁架的腹杆提供抗剪能力,主桁架的上下弦杆、面内斜撑及连接体底层和顶层楼板提供抗弯能力。结合设计结果,腹杆的截面尺寸大受力大。主桁架截面由Y向地震作用下的内力控制。
2)在移除无害变形和次要变形后,得到各布置形式下减震器响应与结构位移间的相关性。形式A中VFD的最大阻尼力、最大位移与剪切角具备相关性,形式B中BRB的最大位移与剪切角具备相关性。就形式C,提出子区格弯曲角的概念,证明VFD的最大阻尼力、最大位移与子区格弯曲变形具备相关性。
3)多遇水准下,B塔层间位移角的减幅各楼层基本可达到10%左右,能量比法和规范方法计算得到附加阻尼比分别为1%、1.4%,墙式粘滞阻尼器附加的耗能占总附加耗能的55%左右,悬臂式阻尼桁架附加的耗能占总附加耗能的45%左右。
4)罕遇水准下,B塔层间位移角的减幅各楼层基本可达到5%左右。非减震结构中非弹性耗能占总耗能的51%,减震结构中非弹性耗能占总耗能的45%。墙式粘滞阻尼器附加的耗能占总附加耗能的60%左右,悬臂式阻尼桁架附加的耗能占总耗能的30%左右,屈曲约束支撑附加的耗能占总耗能的10%左右。
5)罕遇水准下,减震结构的塑性发育主要集中在连梁和框架梁且连梁的塑性程度更大。剪力墙仅底部一层发生很小的屈服,极少框架柱屈服。连接体主桁架少量腹杆屈服。当地面运动主向沿Y向作用时结构的性能状态略优于沿X向。B塔在罕遇水准下的屈服机制符合预期,结构安全。