[摘要] 第一章 绪论1 1 引言时代的发展让建筑师有了日益新奇的设计
第一章 绪论
1.1 引言
时代的发展让建筑师有了日益新奇的设计想法，相邻高层建筑物之间的设置通道天桥的设计灵感就像是多位“舞者”携手起舞，不仅带来了独特的视觉外观，又创造了独立于城市车辆交通的疏散网络人行空间,如图 1 所示的美国大跨度人行连桥。连桥结构中可以设置咖啡厅、观光厅等商业场所促进商业化的大发展，与此同时对结构工程提出了更高的要求。连桥结构的受力特性不同于普通的桥梁结构，一是体系有了平扭耦联振动，其随着两塔楼的不对称加重而变大。两侧塔楼同时发生各个方向的平动及旋转转角。二是连桥与两侧支撑结构的有限连接使得整体内部结构互相协调，而且由于跨度较大要考虑竖向地震作用，所以连桥的受力形式更为复杂。三是连桥与支撑结构的连接方式多种多样，主要包括刚性连接、铰接、滑动连接等，支座的有限刚度对结构的力学性能影响显着需要有详细的分析。当连桥形式不同，比如连桥跨度、连接方式、连桥位置、连桥的层数不同时连桥结构体系的动力特性和地震响应分析。当连桥与两侧结构连接方式不用时，如强连接或弱连接时，连桥结构的静力和动力特性分析。由于跨度较大，目前连桥结构采用材料越来越轻质，楼板越来越薄，在风振或人行荷载作用下楼板振动成为一个关键问题，采用消能减震的组合装置对连桥舒适度的贡献的作用越来越显着。
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1.2 连桥结构体系研究的背景
1.2.1 连桥结构的概念及分类
连桥体系按照连桥与主体结构的衔接方式包括了弱和强两种方法连接的结构形式。
（1）弱连接方式
滑动连接：采用这种连接方式，连桥本身不能协调两侧主体结构的变形，连桥的受力较小，连桥在水平地震，风荷载作用下将产生一定的滑移量。滑动连接在大震作用下的位移会非常大甚至会超过 1500mm，所以减小滑动连接的滑动量是连桥结构体系关键要研究的目标。柔性连接：柔性连接是在滑动连接支座中加入了有限刚度，阻尼，甚至摩擦系数等参数因素，使得连桥结构内力不会过于吸收来自塔楼的内力作用。
（2）强连接方式
强弱连接方式的本质区别在于连桥的是否能起到整体协调的作用，刚接连接节点构造复杂，往往将连桥端部直接嵌固于剪力墙处，形成完全的整体。但是用铰接衔接方式把复杂应力释放掉，仍然能保持较强的连接传递作用。
（3）结构体系平面布置方式按对称轴数目进行分类
连桥结构体系按照结构的平面及其竖向布置的不规则性可分为双轴对称、单轴对称、和非对称结构的平面布置方式。根据塔楼和连桥组成的体系在平面布置上形成的图形有几条对称轴分为这三类结构形式，不规则的平面布置方式受力特性和规则的布置方式差别较大，在实际工程中偏心布置连桥结构引起的结构灾害较多，不容忽视。
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第二章 大跨度连桥结构体系的计算分析方法
2.1 大跨度连桥结构体系的理论分析要点
2.1.1 连桥结构体系的简化模型分析
连桥结构体系是建筑科技不断发展的代表之一，这类结构属于复杂高层建筑结构的范畴，体系里的各类构件的受力性能存在明显的分级，尤其是结构体系在弹塑性阶段的特性。若利用整体精细有限元模型，大量的分析步骤导致计算的不方便。因此采用简化模型对结构体系的受力变形等特性进行等效，又通过对比误差分析，得到简化模型在结构静动力特性研究中是有效且适用的。最后，针对国内对模型的简化模型的现状，采用几种常见的简化方法，分析体系抗震性能并作对比分析。根据不同的假设和计算方法，按时间顺序和复杂程度依次出现了包括[8]并串联刚片模型，刚度连续化分段模型、并串联质点模型，现在分别介绍各自适用性和优缺点如下：串并联刚片模型，将楼板柱子等静凝聚成为刚片系模型，有三个自由度，水平两个再加一个扭转自由度，简化的复杂模型的自由度数便于计算，刚片又较好的模拟偏心造成的扭转偶联，但是刚片无法模拟弹性楼板和连桥，对于计算结果的实际情况偏差较大。那么基于这种刚片无法模拟弹性楼板的情况，研究了分段连续化模型，模型分为连续的好几段，每一段都是可变形的弹性段，使得结果更接近于实际情况，但是每一段都是同样的参数设置，对于复杂多变的结构体系仍不能较好的模拟其精度，但是比有限元算法要节省很多时间。连桥结构体系中特别在弱连接出处在阻尼和弹性变形等参数的变化，刚片模型无法有效模拟弹性变形和阻尼，摩擦系数等的变化，那么研究了质点系模型，质点就是将一层的质量构件再加上下各层的构件质量转化成为一个质点，质点可以较好的模拟水平地震作用下的水平振动，但是一个质点没有扭转刚度，所以不能有效模拟扭转，也就是非对称结构体系下的平扭耦联，对于比较对称的体系且对称地震作用力下可以用质点系模型，复杂非对称体系不能应用此模型。但是质点系模型较好的涉及了连桥体系中比较重要的阻尼，摩擦，弹性连接等参数，精确计算了体系在不同地震作用下这些参数对连桥结构体系的影响。
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2.2 连桥结构的抗震分析方法研究
2.2.1 连桥抗震分析中的反应谱法
对比研究反应谱法和时程分析方法的地震特性反应得出几种区别，采用 ANASYS有限元分析多层框架结构中的框架来模型进行模拟计算，在这两种方法计算多层钢框架下的几项主要楼层参数的进行大小比较，通过计算和对比等一系列分析可知，针对某一特定的情况，由反应谱法得的楼层位移和时程分析法存在 1.09 倍的关系，反应谱法计算的楼层变形参数是时程分析法计算的 1.07 倍。结果还可以表明,这两种方法的计算出来的地震响应都是满足规范要求的,前者计算出来的地震响应比时程分析法的地震响应包括层间位移角、层间位移等楼层参数都要大，分析得出的结果为多高层框架结构的抗震方法提供了基本的技术支持和参考。
2.2.2 连桥抗震分析中的时程反应分析法
时程反应法是结构运动微分方程直接积分得到的一种新方法，常作为静力叠加的反映谱法的补充计算，时程分析法能够较为精确的反映结构动力特性，得出结构的各项指标在随着时间变化的规律特性，也就是详尽的时程曲线，而且要和场地情况和地震动密切相关，那如何选取合适的地震波尤为重要，首先是根据地震动特性、现场条件、设防烈度等因素选取合适的加速度时程曲线，然后依据结构的动力特性选择合适的结构震动模型并确定恢复力模型，建立并得到经过调整后的地震波加速度时程，保持了地震的频谱特性不变，而且地震持时对结构性能影响很大，要保证最严重的地震动在持时周期内，持时一般在结构周期时长的 6-9 倍左右。
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第三章 弱连接条件下双塔连桥结构抗震性能的影响因素分析...........14
3.1 弱连接连桥结构的整体受力分析的方法和模型的建立.....14
3.1.1 整体分析方法及滑动位移分析理论.........14
3.1.2 模型的建立....15
3.2 连桥跨度对连桥和双塔楼的相互影响的抗震分析.....17
3.3 连桥所在楼层位置对连桥和双塔楼的相互影响的抗震分析.......34
3.4 本章小结..........45
第四章 弱连接支座实现形式及其对连桥抗震性能的影响..........47
4.1 连桥结构常用的支座类型及特点.....47
4.2 弱连接支座节点计算方法及力学模型.......51
4.3 连桥弹性支座的模拟和支座参数的选取............54
4.3.1 对称结构中支座参数变化对结构力学特性的影响....54
4.3.2 非对称结构中支座参数的变化对结构的影响............62
4.4 实际工程中连桥支座的深化算例分析......71
4.5 本章小结..........72
第五章 结语与展望............74
5.1 结语.........74
5.2 展望.........75
第四章 弱连接支座实现形式及其对连桥抗震性能的影响
4.1 连桥结构常用的支座类型及特点
桥梁工程中应用支座较为广泛，主要包括刚性连接、铰接连接支座、滑动支座以及弹性支座等形式。目前随着建筑结构的发展，这些连接支座又被广泛应用与高层建筑中，体现最为明显的就是连体结构，有的连体结构刚度较大，位置较高，能够和两侧塔楼形成巨型门式结构共同变形协调。这种类型需要采用刚性连接或者两侧铰接连接支座等强连接方式。但是如果是刚度较弱的钢桁架连桥形式，不能有效协调两侧塔楼共同受力时，就需要用弱连接方式处理连接部位，常用的连接支座的类型为滑动连接或者弹性连接支座，具体支座的设计要根据建筑结构的初步设计的位移量和性能要求初选支座的参数。连桥结构支座有很多不同的工作原理和构造形式，可以表现出满足不同要求的受力及位移性能，目前工程中比较典型的支座有以下几种：刚性支座连接。当连体刚度较大可以协调两侧塔楼时可用刚性连接支座节点，此节点由于受力复杂，包括自身内力和外部荷载的静动力作用，所以应用刚度很大的节点钢板采用高强度螺栓连接到塔楼的柱子甚至剪力墙处，连接处的下部结构在复杂应力状态下的应力及变形应符合规范要求。固定铰支座。固定铰支座是有一个可转动的铰接点，顾名思义，它只可以承担水平力和竖向力，但可以沿着任意方向转动，因此不能传递弯矩、扭矩等。但是铰支座的转动有不同的形式，主要通过不同的机械构造来具备不同的转动性能，主要包括有球形铰支、单项及双向的弧形铰支座，目前较为常用的有板铰支座和抗震球铰支座，都转动灵活，可以适应各方向转动且性能一致，可以是释放不利荷载和环境因素下的复杂应力状态，其中抗震球形支座，转动灵活，转动力矩只与曲率半径和相应的材料摩擦系数有关，各方向较为稳定，其中根据连桥的竖向荷载，水平荷载等可初步选定支座的样式及参数如图所示，支座竖向抗压承载力为 2500KN，承载力设计值为 1500KN，允许转角 1°10′，即此类型的支座在（0°，1°10′）范围内转动时弯矩释放，超出此范围，转动被限制。
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结语
连桥结构体系连接形式多样，而一端铰接，一端滑动的连接方式能削弱连桥对两侧塔楼的连接协调作用，减小连桥自身的地震力，这时如果认为双塔楼均为独立的结构并单独受力，连桥本身刚度较低不能协调整体受力减弱塔楼变形。但这在实际情况中是不现实的，且在设计中单独设计对连桥本身和塔楼都是极为不利的，那么研究弱连接方式下连桥结构的受力变形就显得比较重要，本文在三维有限元理论的基础上采用整体建模分析，同时采用反映谱和时程分析法进行计算，得出了弱连接连桥结构在连桥跨度、连桥位置、塔楼结构形式等因素的影响下，体系的整体动力特性，支座相对位移、连桥内力等性能的变化趋势规律，同时本文还研究了摩擦摆支座参数变化对弱连接连桥结构的控制作用并得出了优化参数，且分析了摩擦摆支座附加阻尼器联合装置对连桥控制的程度，得出了有效结论如下：
1）无论是对称结构还是非对称连桥结构，连桥的位置对连桥的动力特性基本没有影响，或者影响微弱可以忽略，说明弱连接的连桥结构的位置对塔楼主体结构宏观上影响很小。连桥的跨度因素对塔楼结构的周期产生的影响主要是在第四阶振型之后，跨度的增大使得刚度增大，塔楼的质量中心和刚度中心不一致造成的显着的平扭偶联现象使得周期出现差异，原则上跨度越大，周期越大。而不管是跨度因素还是位置因素均对层间位移角基本影响很小。所以对称性并不是滑动连接连桥结构体系的影响因素（弱连接指完全滑动或者只具有很小的水平刚度的柔性连接）。
2）连桥轴力随着跨度的增大而增大，10-20m 时轴力较小可以忽略，20m-40m 时轴力快速增大，40m-60m 时增长速度又增加了两倍，所以跨度大于 20m 的连桥结构构件的截面尺寸要详细计算确定。与强连接端相邻的构件内力与连桥轴力变化规律类似，而弱连接端的相邻构件受连桥影响很小。连桥的内力随着连桥所处楼层位置的先升高后减小，大约在 1/3 塔楼高度处达到最大值，相对最大位移随着位置的升高而增高。
3）塔楼刚度的变化时，连桥的内力随着塔楼刚度的增大而增大，框剪结构连桥的内力基本上大于框架结构内力，滑动支座的相对最大滑动位移随着主塔楼刚度的增大随减小。不管是连桥内力还是滑动位移，结构体系刚度越小，其数值变化越敏感。
4）由于滑动板式支座会在大震作用下造成过大的滑动位移和连桥内力导致破坏，本文对弱连接处采用各种类型摩擦摆支座的方法来研究连桥结构的地震响应。本文中针对不同刚度的摩擦摆支座进行分析，得出了优化的支座参数，有效控制了支座位移和连桥内力，又减小了工程成本。
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参考文献（略）
