某復雜連體高層的結構設計

莊 晨

(福州市建筑設計院 福建福州 350001)

引 言

隨著經濟的發展，人們對建筑整體造型和使用空間的要求也日益提高，因此出現了越來越多具有獨特造型或結構的建筑，這給結構設計帶來了很多新的問題和挑戰，連體建筑就是其中一類，下面通過論述某工程實例的設計方法，提出這類建筑設計中須額外注意的地方，供工程設計人員參考。

1 工程概況

該工程為商業辦公樓，地處福州市臺江區。整個建筑分為南、中、北三個塔樓，層數分別為二十層、八層、六層，建筑高度分別為93m、41m、32m，結構體系為框架－剪力墻。其中南塔樓與中塔樓二、三層局部樓板相連，四～八層之間有連廊相接，北塔樓與中塔樓之間三～六層有連廊相接，所有連廊寬度約6m。

圖1 工程平面概況

2 設計思路

從(圖1)中可以看出三個塔樓形體均較規整，且高度也不高，因此比較常規的設計思路是:連廊與塔樓的連接均采用弱連接，設計成滑動支座，這樣將整個建筑劃分為三個獨立的結構單元，減少塔樓之間的互相影響，同時避免結構成為超限高層。但是由于建筑功能的需要，南塔樓和中塔樓二、三層位置的裙房和塔樓之間無法設置結構縫或處理成滑動支座，因此擬將南、中塔樓之間連廊均采用剛性連接，中、北塔樓之間連廊采用滑動支座，盡量減少不同塔樓之間的影響，并在此基礎上進行超限審查;最終在超限專項審查組專家的建議下，考慮到三個塔樓有十分相近的體型和平面，且中、北塔樓高度和層數相差不多，因此最終方案采用所有連廊和塔樓之間均為剛性連接，形成三個塔樓的連體結構。

3 主要計算分析過程

和常規結構相比，對采用剛性連接的連體結構在設計中應主要關注以下幾個方面的問題:(1)扭轉效應明顯;(2)連接體本身受力復雜;(3)連接體與兩端主體結構的連接方式。因此，針對連體結構的特點，并結合超限審查的要求，對于本工程需采取以下措施:

(1)為保證力學分析的可靠性，采用盈建科及PKPM的SATWE兩個軟件進行多遇地震下的靜力計算分析，并驗證結構各部位在多遇地震作用下的性能目標，計算振型數不應小于塔數的9倍，且保證振型參與質量不小于總質量的90%以上;

(2)為控制結構的扭轉，同時綜合考慮建筑使用功能，采用各個塔樓的端部布置剪力墻，并盡量讓剪力墻形成較為完整的筒體，并且根據不同塔樓高度的不同，通過調整剪力墻的數量和長度，盡量使三個塔樓的剛度比較接近，以減少扭轉效應;

(3)采用混凝土連廊，各層連廊及周邊板塊計算中采用彈性板模型，并對其應力進行分析，連廊板厚適當加強，且雙面雙向配筋，保證其在設防地震下不破壞，以提高連廊的強度，有利于協調連廊兩端的塔樓變形，也起到減少結構扭轉的作用;

(4)由于塔樓框架柱跨度較大(達到18m)，且部分框架柱和連廊剛接，因此大跨度框架柱抗震等級提高一級，采取中震彈性的性能設計;

(5)剪力墻底部加強區高度取至九層樓面標高(比連廊高一層)，底部加強區剪力墻抗震等級提高一級，且采用抗剪彈性，抗彎不屈服的性能設計;

(6)采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算，結合本場地實際情況及結構的特點，選用兩條天然波及一條人工波進行時程分析(三條波均需滿足規范要求)，計算結果取時程分析法計算結果的包絡值與振型分解反應譜法計算結果的較大值;

(7)對各個塔樓按單塔樓分別進行計算，其位移、扭轉位移比均能滿足要求，配筋按單塔和整體模型包絡設計;

(8)此外補充進行了罕遇地震下的動力彈塑性變形驗算，保證結構罕遇地震下的結構層間彈塑性位移角均滿足規范要求，且大跨度框架柱在罕遇地震下均不出現塑性鉸。

4 主要計算結果

(1)結構主要的整體指標(表1、表2):

表1 整體結構SATWE和盈建科計算結果

表2 各單塔SATWE計算結果

由以上兩表可以看出，兩個軟件的計算結果基本一致，整體結構的周期比不到0.5，最大位移比也小于1.40，可見結構的扭轉效應得到比較有效的控制，且各單塔的整體指標也都能滿足規范要求。

(2)本工程采用兩條天然波(T632，ELC－3)及一條人工波(RH2TG055)，輸入SATWE進行多遇地震下的彈性動力時程分析。

圖2 時程分析最大樓層剪力曲線圖

圖3 時程分析最大層間位移角曲線圖

由(圖2、圖3)可以看出，時程分析補充計算結果滿足規范的各項要求，且時程結果總體上小于規范反應譜結果，按照《高層建筑混凝土結構技術規程》4.3.5條，取時程法計算結果的包絡值和反應譜法計算結果的較大值作為結構設計的依據，實際設計時將在SATWE中對地震力放大1.15倍后，樓層剪力和彎矩比時程分析輸入的三條地震波計算結果都要大，滿足包絡要求。

(3)連廊樓板應力采用PMSAP進行計算，部分分析結果如(表3、圖4、圖5)所示:

表3 設防地震下彈性計算各層樓板拉應力計算值(N/mm2)

圖4 X向地震四層樓板應力圖

圖5 Y向地震八層樓板應力圖

由計算結果可知，在設防烈度地震作用下樓板的最大第一拉應力為4.075MPa，配置雙層雙向Φ12@150鋼筋網(三級鋼)即可滿足工作要求。

(4)由于各塔樓剪力墻全部布置在兩端，中部僅設置框架柱，各塔樓框架柱X方向跨度達到18m，大多為單跨，且部分框架柱和連廊剛接，因此提高大跨度框架柱的延性至關重要，超限審查要求框架柱抗震等級提高一級，且采取中震彈性的性能設計，實際設計時主樓大跨度框架柱均采用鋼管混凝土柱，直徑900～1300mm，鋼管壁厚25～40mm，鋼材強度為Q235，內部混凝土強度等級達到C40～C60，計算結果表明軸壓比基本小于0.3～0.5，可以滿足中震彈性的要求。

主樓內大跨度梁采用型鋼混凝土梁，連廊為混凝土梁，和鋼管混凝土柱的連接方式采用承重銷的連接方式(圖6)，梁內鋼筋焊接在承重銷上，使得梁內力的傳遞更加直接可靠。

圖6 梁和鋼管混凝土柱連接做法

(5)為確保結構的安全性，實現“大震不倒”的抗震目標，還補充進行了罕遇地震下的動力彈塑性變形驗算(圖7)。計算采用的軟件為PKPM的EPDA，罕遇地震下的結構層間彈塑性位移角最大結果分別為均1/221和1/244，均小于規范規定的1/100的要求;結構的塑性鉸基本都出現在梁端，大跨度的框架柱均未出現塑性鉸，因此該部分框架柱應能滿足抗震要求。

圖7 動力彈塑性工況時樓層位移角曲線

3 結語

連體結構作為一種較新的結構形式，扭轉效應較明顯，受力比常規結構更加復雜，在設計中應注意控制結構的扭轉，注意連接體的內力分析，并根據連接體和塔樓的連接方式的采用合適的分析方法，對重要構件須做專門的性能設計，以保證結構的整體安全。本文為筆者根據自身的一個工程實例做這方面的簡要介紹，其中難免會有一些疏漏，請廣大讀者指正。

[1]GB50011－2020，建筑抗震設計規范[S].

[2]JGJ3－2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[3]CECS28∶90，鋼管混凝土結構設計與施工規程[S].

[4]06SG524，鋼管混凝土結構構造[S].

[5]徐培福，傅學怡，王翠坤.復雜高層建筑結構設計[M].中國建筑工業出版社，2014.

[6]方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結構概念設計[M].機械工業出版社，2014.