基于BIM平台的双塔结构抗震性能分析

基于BIM平台的双塔结构抗震性能分析

龙锐霍婷婷蒋骅

桂林理工大学博文管理学院广西桂林541006

摘要：本文以桂林市某16层大底盘双塔楼项目为例，介绍了基于BIM平台的双塔结构抗震分析方法。利用常规方法和BIM平台建立了PKPM结构模型，运用Pushover抗震分析方法，对该结构进行两种荷载工况组合的Pushover分析，得出结构相应位移值以及层间位移角，根据得到的数据对结构进行抗震性能评估。

关键词：双塔楼结构，静力弹塑性分析，抗震性能评估

1引言

对于双塔结构[1]的研究，我国起步相对较晚些，但近年来对这方面的研究，发展进度明显加快了。人们对于塔楼结构的研究，都是从单塔楼大底盘结构开始的，然后随着科学技术的不断进步发展，工程中的设计与施工技术得到长足进步，为研究双塔楼结构提供了技术和经验指导，研究的范围也越广，内容也越深入。在地震作用下，对于该类结构响应特征的研究一般有：振型的选取，塔楼的震动特征，连体结构对建筑的受力性能影响分析以及其自身受力特征等等。相关文献也对许多问题给出了相应的解决方案[2]。对于那些建筑结构形式复杂，受力特点复杂的高层建筑，如何采用合理的计算方法及计算软件来正确对结构进行分析计算，也一直是工程领域中研究的重点，对于双塔楼结构，如何确立分析计算模型，以及采取何种计算软件进行建模分析，从而快速准确的对结构进行抗震性能等的分析也是人们关注的重点[3]。对模型分别运用常规结构分析软件pushover和具有BIM结构分析软件接口的盈建科有限元分析软件对该结构进行地了震作用下的反应分析，本文重点介绍基于BIM平台建模的双塔结构的pushover方法的抗震性能分析。

2工程概况及结构体系

本文所采用的工程实例为桂林市某项目工程中的1号和2号塔楼所组成的大底盘双塔楼结构，该大楼共16层，底部两层为裙房，作为商业用房，上部14层为住宅楼。结构类型为底部裙房为框架结构，层高为4.5米，其余层均为剪力墙结构，层高为3米，两个塔楼为单周对称布置。该结构总长为69.6米，总宽为35.2米，高为51米。

该工程结构形式为钢筋混凝土结构，建筑抗震设防类别为丙类，建筑结构安全等级为二级，建筑耐火等级一级。底部两层裙房框架部分抗震等级为三级，剪力墙为三级，一、二号塔楼的剪力墙抗震等级为三级。

3建立分析模型

在运用SAP2000进行建模时，首先建立整体坐标轴网，然后根据施工图中的梁柱、剪力墙及楼板的混凝土材料和钢筋型号进行材料属性定义，接着根据它们的截面尺寸大小和对应的配筋进行不同截面的定义。再在整体轴网坐标系中进行结构构件的绘制。由于本文的轴网较密且多，根据需要在建模过程中还添加了附加轴网，以此方便绘图。

截面属性定义时，梁和柱子运用线性框架单元，剪力墙采用壳单元中的板-薄板类型进行定义，楼板采用壳单元中的壳一薄壳类型定义，模型从标高士0.000处建到层顶，并定义底层的柱脚为固定约束。

4Pushover分析

4.1荷载工况的定义

Pushover分析法的基本内容在第三章中进行了相关概念及性质的介绍，以下主要针对采用SAP2000进行结构Pushover分析时主要步骤过程的介绍。根据上文建立的模型，我们首先要对结构梁柱进行塑性铰的定义，本文将梁两端都定义为弯矩铰—M3的塑性铰，两端铰点距端点的距离为O.1L；柱的轴力及两个弯矩可通过一个耦合的曲面表示，柱子两端定义P-M2-M3铰，铰点距离端点为O.1H。

本文首先定义一个重力荷载作用下的静力非线性工况，使其作为初始静力非线性工况，定义其从零初始状态开始，它是其他Push工况的分析的基础；由模态分析可知结构的第一振型为X向平动，第二振型为Y向的平动，则根据这两个振型定义两个横向荷载作用下的Push工况，横向的模态荷载相当于倒三角形荷载的作用。本文定义的纵、横两个方向荷载工况具体为：（1）重力+振型1（X向）；（2）重力+振型2（Y向）

4.2结果的查看与分析

（1）重力+振型1（X向）

对结构进行第一类荷载工况下的pushover分析，将转换后的、值替换进需求谱抗震系数，得出结构的性能点0.046，42.844，相应的V=5120234N，D=49.563mm，基底剪力—位移关系曲线如下图4.1所示。

（2）重力+振型2（Y向）

对结构进行第一类荷载工况下的pushover分析，将转换后的、值替换进需求谱抗震系数，得出结构的性能点0.026，44.817，相应的V=2938784.2N，D=54.195mm，基底剪力—位移关系曲线如下图4.2所示。

图4.1X向剪力—位移曲线

图4.2Y向剪力—位移曲线

由上可知，两种侧向荷载工况下的顶点位移为49.563mm和54.195mm，均小于规范要求的弹塑性层间角限值1/120*51000=425mm，满足要求；从以上两个表格数据可知，两种荷载工况计算得出的层间位移角最大值分别为1/640和1/627，均小于规范要求的层间弹塑性位移角限值1/120的要求，则一号塔楼在6度罕遇地震作用下层间位移角满足规范要求。通过对比两个pushover分析得的位移角，我们可以知道结构在第二、三层及中间部分楼层较早出现了塑性铰，且随着力的加大越来越多，基本和反应谱分析得到的结论相符合，并建议加强这些部位梁柱截面尺寸或增大钢筋配筋面积及箍筋加密。

5结论

本文通过采用静力弹塑性Pushover分析，以结构第一、第二振型为侧向加载模型，定义了X、Y两个方向的荷载工况，通过对结果分析可知，在6度罕遇地震作用下，两种荷载工况运行得出的结构性能点处的层间位移和层间位移角均能够满足我国规范要求；并通过项目实例验证了将结构建模与结构抗震分析进行合理分工，有利于提高结构工程师将精力集中于结构计算分析。充分利用基于BIM平台的结构设计，具有可视化程度高、参数驱动构件尺寸、模型精度高提高设计出图效率。

参考文献：

[1]沈蒲生.多塔与连体高层结构设计与施工[M].北京：机械工业出版社，2009：13～15

[2]蓝彩霞.浅谈大底盘多塔楼结构的电算分析[J].广东土木与建筑.2002：6～7

[3]董平，林宝新.超长超宽多塔结构的抗震分析与裂缝控制[J].合肥工业大学学报（自然科学版）.2001：2～3