高层建筑设置环带桁架以及地下室不同约束条件下对结构自振周期的影响

摘 要：为了深入研究设置环带加强层并考虑土-地下室“虚拟伸臂”相互作用对混合高层建筑内力和变形的影响，文章采用有限元软件SAP2000，对地下室不同约束条件下高层建筑进行了地震作用下的时程分析，研究在地震作用下设置环带桁架并考虑土-地下室“虚拟伸臂”相互作用时对混合高层结构自振周期的影响规律。

关键词：环带桁架；“虚拟伸臂”；土-结构；自振周期

1 概述

文章以SRC框架-RC核心筒高层建筑结构为算例，计算了考虑和不考虑土-结构相互作用情况下该建筑结构的模态。结构的模态主要包括模态刚度、模态阻尼比、固有频率和固有振型等参数其中最为重要的就是固有频率和固有振型。

结构模型概况：文章参考实际工程，忽略扭转效应对结构的影响，建立了一个平面和立面都比较规则的SRC框架-RC核心筒混合高层结构模型。该结构地面以上36层，地下2层，屋面檐口标高127m，标准层层高3.5m，底层层高4.5m，地下室层高4m。结构为27m×27m平面规则结构，内部核心筒从下至上贯通布置，框架柱距9m，主楼高宽比4.7，核心筒高宽比14.1。

结构模型中框架柱全部为型钢混凝土柱，框架梁为工字型钢梁，核心筒为钢筋混凝土剪力墙。竖向荷载主要有各构件自重和楼面活荷载。活荷载标准值按《建筑结构荷载设计规范》（GB50009-2010）选用。其中楼面活荷载取2.0KN/m2，屋面活荷载取0.5KN/m2，将外墙重量折算到边梁的恒荷载中，取底层梁上附加恒荷载10.0KN/m，标准层9.0KN/m。

水平作用有风荷载和地震作用。假定该结构建在某市区，根据荷载规范，取基本风压W0=0.55KN/m2（按50年采用），地面粗糙度为C类，建筑抗震类别为丙类，抗震设防烈度为7度，二类场地，土层厚度为40.0m，主要由三层土组成，最上面一层为粘土，下面两层分别为粉质粘土。设计地震分组第一组，设计基本加速度为0.1g，场地特征周期取0.35s。

2 加强层以及地下室不用约束情况下的分析方案

一般而言，水平加强层的刚度越大，减小结构侧移的效果越好，但刚度增加越多，内力突变程度也越大，极易引起加强层附近的框架柱或核心筒先行破坏，且加强层刚度对结构侧移的影响是有限度的。一旦超过一定的数值，再增加加强层刚度，对结构侧移的影响就很小。

有限元模型建立的准则是根据工程分析的精度要求，建立能模拟实际结构的模型。高层建筑结构复杂，结构模型的建立合理与否，直接决定了计算精度和计算结果。

2.1 单元类型

本研究的结构体系为型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构，构件种类有型钢混凝土柱，型钢连续梁，钢桁架，混凝土剪力墙。下面分别对软件中每种单元特性进行简单介绍：

（1）框架单元：在平面和三维结构中，框架单元可用来模拟梁、柱、斜撑和桁架。单元每个节点共有6个自由度，分别是3个平动自由度和3个转动自由度。

（2）薄壳单元：壳单元考虑了平面内刚度和平面外刚度，力学行为是膜单元和板单元之和。薄壳一般是指厚度h和宽度L之比小于1/10的壳。

（3）接触单元：间缝单元（Gap）是点对型（node-to-node），所谓点对型是当接触面离散化时就规定好节点对的编号，它们在物体刚好接触时具有相同位置。点对型方式不允许在接触面上任意布置节点，缺乏一定的灵活性。

2.2 单元剖分

在计算分析之前，需要根据计算精度要求，对模型中的对象进行有限元剖分。剖分的单元数越多，精度越高，计算时间也越长。不考虑土与结构在地震作用下的碰撞约束作用模型共剖分了20304个框架单元，16754个薄壳单元，使用了18种截面形式和6种材料属性。考虑土与结构在地震作用下的相互约束作用共剖分了20304个框架单元，16754个薄壳单元，304204个实体单元，8204个Gap单元。

3 设置环带桁架以及地下室不同约束条件下对结构自振周期的影响

3.1 不考虑土-地下室“虚拟伸臂”相互作用情况下环带桁架对结构自振周期的影响

（1）设置环带加强层可增大结构的整体刚度，减小结构自振周期。

（2）设置环带加强层对结构自振周期的影响主要针对低阶振型，对高阶振型自振周期的影响很小，且环带加强层数目越多，影响越弱。

3.2 考虑土-地下室“虚拟伸臂”相互作用情况下环带桁架对结构自振周期的影响

（1）考虑土-地下室“虚拟伸臂”相互作用时，设置环带加强层可增大结构的整体刚度，减小结构自振周期。

（2）考虑土-地下室“虚拟伸臂”相互作用时，设置加强层对结构自振周期的影响主要针对低阶振型，对高阶振型自振周期的影响很小，且环带加强层数目越多，影响越弱。

（3）考虑土-地下室“虚拟伸臂”相互作用时，增设环带桁架降低的结构自振周期比刚性地基假定时增设环带桁架降低的结构自振周期明显。

4 结束语

文章介绍了工程算例的基本概况，运用有限元分析软件SAP2000对结构模型进行了模态分析，得出了设置环带桁架并考虑土-地下室“虚拟伸臂”相互作用时对结构周期、结构振型的影响规律，主要结论和建议归纳如下：

（1）考虑与不考虑土-地下室“虚拟伸臂”相互作用下，设置环带构件可以增大结构的整体刚度，减小结构体系的低阶自振周期。

（2）考虑与不考虑土-地下室“虚拟伸臂”相互作用加强层对结构自振周期的影响主要针对低阶振型，对高阶振型自振周期的影响很小，且环带加强层数目越多，影响越弱。

（3）考虑土-地下室“虚拟伸臂”相互作用后使结构体系的动力特性发生了改变，结构的自振动周期延长，体系的总体刚度降低较为明显，而结构体系的自振周期延长，很有可能导致结构体系的自振周期与地面运动的卓越周期接近，从而引起结构的惯性力增大，出现不安全因素。

（4）由于框架与核心筒协同工作，考虑与不考虑土-地下室“虚拟伸臂”相互作用在X轴方向的侧移曲线都是呈弯剪型。考虑土-地下室“虚拟伸臂”相互作用后结构侧移在±0.000处变化较大，即使地下室顶板刚度较大，直接将地下室顶板作为上部结构的嵌固端仍是不妥的。

参考文献

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作者简介：宋良瑞（1982，11-），女，籍贯：山西运城，本科，讲师，工作单位：四川建筑职业技术学院，主要研究方向：结构工程。