高層建筑連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

摘 要：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常較為常見，由于連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有特定的原則，在結(jié)構(gòu)計(jì)算等方面需要嚴(yán)格按照程序進(jìn)行操作，確保建筑結(jié)構(gòu)符合抗震要求。本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)高層建筑連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡單探討。

關(guān)鍵詞：高層建筑；連體結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；連體高層

一.引言

高層建筑連體結(jié)構(gòu)是指除開裙樓外，高層建筑在兩個(gè)或兩個(gè)以上的塔樓之間存在帶有連接體的建筑結(jié)構(gòu)。在高層建筑結(jié)構(gòu)中，連體結(jié)構(gòu)部分是較為薄弱的，因此對(duì)高層建筑連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加了難度。由于高層建筑在遭受地震災(zāi)害時(shí)，容易對(duì)地震區(qū)的連體高層造成嚴(yán)重破壞，因此需要加強(qiáng)高層建筑連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大限度提升建筑的安全性。

二.工程概況

某建筑工程建筑面積為52000㎡，項(xiàng)目占地面積約25000㎡，建筑抗震設(shè)防烈度為7度。A樓和B樓由同一主樓組成，主樓的高度為16層，主樓10層以下為相互獨(dú)立的建筑結(jié)構(gòu)，在11層和15層之間設(shè)置一連體結(jié)構(gòu)，連通A樓和B樓。在連體部分中，將11層作為可用建筑空間，其余樓層均為架構(gòu)部分。在A樓和B樓之間設(shè)置連通的地下室。

三.高層建筑的連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 高層建筑連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則

（1）計(jì)算數(shù)據(jù)分析

按照J(rèn)GJ3-2002《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，對(duì)高層建筑的復(fù)雜體型進(jìn)行分析，需要符合下列基本要求：

1）至少需要采用兩個(gè)具有不同力學(xué)模型的三維空間軟件對(duì)整體內(nèi)力位移進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算；由于高層建筑連體結(jié)構(gòu)的體型具有特殊性，連體部位的承受力非常復(fù)雜，因此需要采用有限元模型對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行建模分析，并采用彈性蓋樓對(duì)連體部分進(jìn)行分析計(jì)算。

2）在計(jì)算結(jié)構(gòu)抗震系數(shù)時(shí)，需要考慮平扭耦聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，設(shè)置振型數(shù)高于15，計(jì)算振型數(shù)要使振型參與質(zhì)量不得小于總質(zhì)量的90%。

3）需要采用彈性時(shí)，要采用程分析法補(bǔ)充進(jìn)行計(jì)算。

4）需要采用彈塑性動(dòng)力或靜力分析方法對(duì)薄弱層彈塑性變形進(jìn)行驗(yàn)算。

2. 結(jié)構(gòu)選型

高層建筑的連體結(jié)構(gòu)由于各獨(dú)立部分存在相同或相近的體型、剛度或平面，抗震設(shè)計(jì)為7度或8度時(shí)，剛度和層數(shù)差別較大的建筑，不適合簡單采用強(qiáng)連接方式。而要依據(jù)彈塑性動(dòng)力或靜力分析結(jié)果，確保連體結(jié)構(gòu)在遭遇地震災(zāi)害時(shí)能夠滿足“大震不倒”的基本抗震要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要確保連體部分節(jié)點(diǎn)安全、可靠，可以采用“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的抗震設(shè)計(jì)理念，適當(dāng)削弱連接體內(nèi)鋼桿的部分區(qū)段，促使彈塑性變形主要集中在局部區(qū)段內(nèi)，確保鋼桿具有足夠的耗能能力和變形能力，節(jié)點(diǎn)部分始終維持在彈性狀態(tài)，以滿足高層建筑抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。可以優(yōu)先采用鋼結(jié)構(gòu)或型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，來盡量減輕高層建筑連體結(jié)構(gòu)的自重。高層建筑連接體包含多個(gè)樓層時(shí)，可以結(jié)合建筑的平面功能，設(shè)置空間鋼桁架體系來增加連體結(jié)構(gòu)本身的剛度，從而提高連體部分整體變形的協(xié)調(diào)水平。

3. 連體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1）高層建筑連體結(jié)構(gòu)的自振振型分為順向振型和反向振型，內(nèi)容較為復(fù)雜。高層建筑的連體部分讓塔樓之間的振動(dòng)相互耦合，建筑結(jié)構(gòu)沿豎向的質(zhì)量和剛度和由于連接體的分布設(shè)置而不均勻，導(dǎo)致高層建筑連體結(jié)構(gòu)自振振型較為復(fù)雜。高層建筑連體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)性能較差，扭轉(zhuǎn)的振型也具有多樣性，在地震作用下發(fā)生的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)較大，由于結(jié)構(gòu)的延性較差，極容易發(fā)生脆性的破壞。高層建筑連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要采用三維空間分析方法來進(jìn)行整體計(jì)算，建筑主體結(jié)構(gòu)和連接體都要參與整體分析，以確保整體結(jié)構(gòu)安全。

2）由于高層建筑連接體架空，對(duì)地震的反應(yīng)較為敏感，特別是對(duì)于自重較大、跨度較大的連體豎向地震反應(yīng)更加明顯。大量的震害經(jīng)驗(yàn)表明，豎向的地震力所造成的破壞是地震中客觀存在的。在地震震區(qū)內(nèi)，地震主要以豎向震動(dòng)為主，具有劇烈的破壞作用。一般建筑在9度抗震設(shè)計(jì)及高層建筑連體結(jié)構(gòu)8度抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮水平地震荷載和豎向地震荷載的共同作用。分析豎向地震作用時(shí)可以采取時(shí)程分析法和振型分解法，以提高連體結(jié)構(gòu)抗震能力。

3）設(shè)計(jì)中采取的構(gòu)造措施

高層建筑連接體和同連接體相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接體高度范圍內(nèi)及連接體上下層，其抗震等級(jí)需要提高一級(jí)。和連接體相連的框架柱需要在連接體高度范圍內(nèi)，柱箍筋全長加密。和連接體連接的剪力墻要在連接體的高度范圍或上下層設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。在連接體和連接體上下層樓板配筋及主樓樓板配筋需要采用雙層雙向配筋。和鋼桁架相連的框架柱要采用型鋼混凝土柱，同型鋼混凝土柱連接的框架梁要采用型鋼混凝土梁，同型鋼混凝土梁對(duì)應(yīng)的另一端框架柱要采用構(gòu)造型鋼混凝土柱，要將構(gòu)造型鋼混凝土柱內(nèi)的型鋼延伸至連接體的下一層。

4）豎向荷載措施。

連體部分在豎向荷載作用下的傳遞路徑：樓面——次梁——主梁——鋼桁架——主樓的型鋼砼柱——基礎(chǔ)，在豎向荷載作用下，連體受彎，對(duì)主樓的不同樓層產(chǎn)生相應(yīng)的拉壓應(yīng)力。為保證連體部分豎向荷載的有效傳遞，采取以下措施：

①鋼桁架采用三層高的整層桁架，桁架弦桿與腹桿剛性連接，增強(qiáng)桁架的豎向抗剪剛度

②與連體直接相連的框架柱采用型鋼砼柱生根于基礎(chǔ)，與連體間接相連的框架柱采用型鋼砼柱，并將型鋼向下延伸一層。

③與型鋼砼柱直接相連的框架梁采用型鋼砼梁，型鋼砼梁與型鋼砼柱連接節(jié)點(diǎn)區(qū)柱內(nèi)型鋼貫通，梁內(nèi)型鋼與柱內(nèi)型鋼可靠連接。

④連體部分樓面次梁采用焊接H型鋼，與鋼桁架的弦桿采用鉸接，有效傳遞樓面豎向荷載。

4. 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

（1）重視扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，較之其它體型結(jié)構(gòu)，連體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)變形大，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較明顯，當(dāng)風(fēng)或地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)除產(chǎn)生平動(dòng)變形外，還將會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)隨兩塔樓不對(duì)稱性的增加而加劇。即使對(duì)于對(duì)稱雙塔連體結(jié)構(gòu)，由于連接體樓板變形，兩塔樓除有同向的平動(dòng)外，還有可能產(chǎn)生兩塔樓的相向運(yùn)動(dòng)，該振動(dòng)形態(tài)是與整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振型耦合在一起的。實(shí)際工程中，由于地震在不同塔樓之間的振動(dòng)差異存在，兩塔樓的相向運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)形態(tài)極有可能發(fā)生響應(yīng)，此時(shí)連體結(jié)構(gòu)受力很不利。對(duì)多塔連體結(jié)構(gòu)，因體型更為復(fù)雜，振動(dòng)形態(tài)也將復(fù)雜，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)更加明顯。

（2）連接體部分受力復(fù)雜，連接體部分是連體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，其受力較復(fù)雜。連接體部分一方面要協(xié)調(diào)兩側(cè)結(jié)構(gòu)的變形，在水平荷載作用下承受較大的內(nèi)力；另一方面，當(dāng)本身跨度較大時(shí)，除豎向荷載作用外，豎向地震作用影響較明顯。

（3）重視連接體兩端結(jié)構(gòu)連接方式，連接體結(jié)構(gòu)與兩側(cè)塔樓的支座連接是連體結(jié)構(gòu)的另一關(guān)鍵問題，如處理不當(dāng)結(jié)構(gòu)安全難以保證。連接處理方式一般根據(jù)建筑方案與布置確定，可以有剛性連接以外的其它連接形式，每種連接方式的處理方式不同，均應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析與設(shè)計(jì)。但應(yīng)盡量采用剛性連接，必要時(shí)連接體結(jié)構(gòu)可延伸至主體部分內(nèi)筒，并與內(nèi)筒可靠連接。

四.結(jié)束語

高層建筑連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要科學(xué)合理的設(shè)計(jì)連體結(jié)構(gòu)，確保高層建筑連體結(jié)構(gòu)在面對(duì)地震災(zāi)害時(shí)具有可靠的安全，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)

[1]任旭.高層建筑連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討[J].工業(yè)建筑，2006，36（z1）：324-327

[2]李晨光.高層建筑連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013，（25）.

[3]吳軍強(qiáng).高層建筑連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013，（16）.

[4]莫寧超.高層建筑連體結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用[J].中國房地產(chǎn)業(yè)，2012，（8）：258.

[5]吳耀劍，沈玲琴.高層建筑連體結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用[J].中華民居，2012，（6）：249.