有關高層建筑連體結構設計受力特點與設計要點的探討

趙玉紅 焦亞娟

摘要: 高層建筑連體結構可使建筑型體更具特色。但由于連體的存在，給高層結構的分析和設計提出了更高的要求。本文就復雜高層建筑連體結構設計受力分析與設計要點進行探討。

關鍵詞：復雜高層建筑；連體結構；受力分析；設計要點

引言

連體建筑氣勢宏偉，深受群眾喜愛。但由于連體結構的存在，使得原來彼此獨立的各單體結構成為一個復雜結構系統中的一部分，這就給高層結構的分析和設計提出了更高的要求：如何高效、準確地對復雜高層連體結構體系進行分析和設計，己成為一個急侍解決的重要課題。筆者根據多年的工作經驗，就這方面的設計心得加以探討，希與同行共同切磋。

一、連體結構的形式及特點

目前，連體高層建筑結構主要有兩種形式。第一種形式稱為架空連廊式，既兩個結構單元之間設置一個(層)或多個(層)連廊，連廊的跨度從幾米到幾十米不等，連廊的寬度一般約在10m之內；另一種形式稱為凱旋門式，整個結構類似一個巨大的“門框”，連接體在結構的頂部若千層與兩端“門柱”(既兩側結構)連接成整體樓層，連接體的寬度與兩側門柱的寬度相等或接近，兩側“門柱”結構一般采用對稱的平面形式，具體結構示意圖見圖1所示。

圖1 連體結構凱旋門式結構

二、連體結構的受力特點

連體結構的受力比一般單體結構或多塔樓結構更復雜，主要表現在如下幾個方面：

1、結構扭轉振動變形較大，扭轉效應較明顯。

由計算分析及相關的振動臺試臉說明，連體結構自振振型較為復雜，前幾個振型與單體結構有明顯區別，除順向振型外，還出現反向振型，扭轉振型豐富，扭轉性能差，在風荷載或地震作用下，結構除產生平動變形外，還會產生扭轉變形；同時，由于連接體樓板的變形，兩側結構還有可能產生相向運動，該振動形態與整體結構的扭轉振動藕合，當兩側結構不對稱時，上述變形更為不利.當第一扭轉頻率與場地卓越頻率接近時，容易引起較大的扭轉反應，易使結構發生脆勝破壞。

對多塔連體結構，因體型更復雜，振動形態也將更為復雜，扭轉效應更加明顯。

2.連體結構中部剛度小，而此部位混凝土強度等級又低于下部結構，從而使結構薄弱部位由結構底部轉移到連體結構中場樓（兩側結構)的中下部，設計中應予以充分注意。

3、連接體部分受力復雜。

連接體部分是連體部位的關鍵部位，受力復雜。連接體一方面要協調兩側結構的變形，另一方面不但在水平荷載作用下承受較大的內力，當連接體跨度較大，層數較多時，豎向荷載(靜力)作用下的內力也很大。同時，豎向地震作用也很明顯。

4、連接體結構與兩側結構的連接是連體結構的又一關鍵問題。

連接部位受力復雜，應力集中現象明顯，易發生脆性破壞。如處理不當，將難以保證結構安全。

歷次地震中，連體結構的度害都較為嚴重，特別是架空連廊式連體結構。兩個結構單元之間有多個連體的，高處連廊首先塌落，底部的連廊有的沒有塌落。

兩個結構單元高度不等或體型、平面和剛度不同，則連體結構破壞尤為嚴重。

三、連體結構的設計要點

基于上述分析，高層建筑連體結構在設計時，應該注意以下事項：

1、連體結構各獨立部分宜有相同或相近的體型、平面和剛度。其中，7度、8度抗震設計時，層數和剛度相差懸殊的建筑不宜采用連體結構。

2、連體結構的整體及各獨立部分結構平面布置應盡可能簡單、規則、均勻、對稱，減少偏心。抗側力構件布置宜周邊化，以增大結構的抗扭剛度。

3、連接體部分是連體結構的關鍵部位，設計中應注意以下幾點：

(1)連體結構的連接體宜按中震彈性設計，既地震作用下的內力按中震進行計算。

(2)應盡量減輕連接體部分結構自重，應優先采用鋼結構析架，也可采用鋼筋、型鋼混凝土架、型鋼混凝土梁等結構形式。

當連接體包含多個樓層時，最下面的一層宜采用鋼結構析架結構形式，并應加強最下面的1-2個樓層的設計和構造措施。

(3)架空的連接體對豎向地震的反應比較敏感，尤其是跨度較大、層數較多的連接體對豎向地震的反應更加敏感。所以，連體結構的連接體部分應考慮豎向地震的影響。近似計算時，豎向地震作用的標準值可取連接體部分重力荷載代表值的10% (8度抗震設計)，并按各構件所分擔的重力荷載代表值的比例進行分配。

(4)連接體部分的樓板厚度不宜小于150mm，并應用于雙層雙向配筋，每層每方向的配筋率不宜小于0.25%.連接體部分的端跨梁截面尺寸宜適當加大。

(5)抗震設計時，鋼筋混凝土結構的連接體及與連接體相連的兩側結構構件的抗震等級應提高一級采用，一級提高至特一級，如構件原抗震等級已經為特一級則不再提高。

以下以某工程實例為例，介紹連體結構的主要計算參數。

（1）結構計算分析

采用了SAME和ETABS兩種不同計算模型的計算分析程序，對該工程進行了彈性及彈塑性分析，計算中采用分塊剛性樓板加彈性板(連體部位)模型。分析結果如下所圖2所示。

圖2 分析模型示意圖

（2）彈性靜力整體計算方法。

本工程由兩棟高層塔樓組成，建筑高度120m，基本風壓：w。=90 kN / mz；地震烈度：地區地震基本烈度：7度，設計地震基本加速度值：0. l:g，設計地震分組：第一組，擬建場地土類型屬中硬土。為滿足建筑功能要求，兩棟塔樓在頂部位置設三層連廊連接，連廊層高6 m，連廊跨度35m。本次分析中分別采用SAME和ETABS程序，其彈性靜力整體計算結果見表1所示：

表1 連體結構周期、位移、剛度比計算結果

總結

連體結構體型較復雜，其連接體受力更為復雜。在地震作用下，連體結構的連接體易形成薄弱部位，破壞較嚴重。其具體設計時，應充分考慮以下幾點：

（1）宜結合工程實際情況，對連體結構進行優化設計，確定比較合理的結構設計方案。計算結果表明，本工程所選的低位弱連接方式是較合理的。

（2）連接體對豎向地震的反應比較敏感，抗震設計時應根據相應規范要求考慮豎向地震的影響。

（3）連體結構振型較為復雜，宜整體建模對結構進行詳細分析。同時連體結構扭轉性能差，扭轉振型豐富，水平地震作用計算時應考慮雙向水平地震作用下的扭轉效應.

（4）支座部位承載力設計時宜按考慮罕遇地震作用的最不利內力進行，支座滑移量應滿足在罕遇地震作用下的位移要求。

參考文獻

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