某高層結構的連接體設計

黃運財

(廈門瑞達置業有限公司　福建廈門　361000)

?

某高層結構的連接體設計

黃運財

(廈門瑞達置業有限公司福建廈門361000)

連體建筑是一種體型和受力復雜的高層建筑。連接體是連體建筑的關鍵構成，水平荷載作用下內力及變形復雜，是連體建筑抗震設計的關鍵問題與技術難點。文章結合某工程弱連接方式的實例，參考連體結構設計方法，詳細介紹了某高層結構連接體的設計過程以及連接體樓板舒適度的驗算方法。

連接體；鉛芯橡膠支座；變形量；舒適度

0　引言

隨著現代建筑形體的日趨復雜及建筑功能的需要，連體結構越來越多地出現在高層建筑結構設計中。連體結構是指除裙樓以外，兩個或兩個以上塔樓之間帶有連接體的結構。連體建筑是一種體型和受力復雜的高層建筑，通過在不同塔樓間設置連接體將單體結構連在一起，方便不同建筑物之間的空間聯系[1]。

連接體作為連體建筑的關鍵構成，水平荷載作用下內力及變形復雜，成為連體建筑抗震設計的關鍵問題與技術難點，如處理不當結構安全將難以保證。連接處理方式一般根據建筑方案與布局來確定，根據連接體與塔樓的連接方式，連體結構可分為2類——強連接方式和弱連接方式。強連接方式是指連接體結構采用兩端鉸接、兩端剛接的形式與塔樓相連，弱連接方式是指連接體結構采用一端鉸接、另一端滑動連接或兩端滑動連接的方式與塔樓相連。

當連接體包含多層樓蓋，且連接體結構剛度足夠，能將主體結構連接為整體并協調受力變形時，可采用強連接方式，其設計要點是使連接體與塔樓真正連為整體，完全協調受力。當連接體結構較弱，無法協調主體結構共同工作時，可采用弱連接方式，其設計要點是預留支座足夠的滑移量并設置限位措施，防止連接體在強震下跌落。

本文通過工程實例，采用一種弱連接的方式，由內力和位移計算結果，根據實際情況，選用具有隔震性能的鉛芯橡膠支座。

1　工程概況

本工程位于福建省廈門市思明區，建筑物地下3層，地下室頂板作為上部結構的嵌固端，地上有南、北2個塔樓組成，北塔樓29層，總建筑高度126.6m，南塔樓25層，總建筑高度99.6m，框架核心筒結構體系，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度為0.15g，設計地震分組屬第1組，建筑物場地類別為Ⅰ1類，核心筒及框架抗震等級均為二級，基本風壓0.8kN/m2，本工程地形北高南低，南北塔錯層，在南塔3層設置有大空間多功能會議室與北塔樓相連，即在南北樓3層和4層標高處分別設置了連接體，連接體高度6m，寬度為20.5～23.6m，跨度為15.8m，建筑效果圖見圖1。

2　連接體設計分析

2.1連接方式選擇

因為本項目兩塔樓建筑體型、平面布置、樓高和層高均不一致，連接部位偏置，以及連接部位在較低位置的3、4層裙樓處，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010連體結構的概念，本工程不屬于連體結構范疇，且為盡量減小在風效應和地震作用下兩棟樓之間的相互作用，并改善整體結構性能，將上部劃分為獨立的2個結構單元，同時避免結構成為超限高層，連接處擬采用弱連接的隔震支座，并且考慮支座在水平力作用下能夠恢復 ，兩端均采用鉛芯橡膠支座。

鉛芯橡膠支座 ( Lead RubberBearing，簡稱 LRB)如圖2所示，是在普通天然橡膠支座的中心插入鉛芯，以改善橡膠支座阻尼性能的一種減震支座。鉛芯橡膠支座除能承受結構的豎向力和水平力外，鉛芯產生的滯后阻尼的塑性變形還能吸收地震能量，并可通過橡膠提供水平恢復力。

2.2鉛芯橡膠支座初選

支座的設計主要是其變形量的計算，支座變形量應能滿足兩個方向在罕遇地震作用下的位移要求。罕遇地震作用下的位移要求，應采用時程分析方法進行計算復核。連接體與周邊結構應設置隔離縫，縫寬不宜小于隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移值的1.2倍且不小于200mm。以南樓離地高度來算，四層連廊處的高度為15m，多遇地震下，框架核心筒的彈性層間位移角限值為1/800，南樓4層連廊處位移Δ=15 000/800=18.75mm，假設兩側主體結構在地震作用下最不利最大變形同時到達，則兩棟樓間的位移為2×18.75=37.5mm，罕遇地震作用下，根據地震安全性評價報告提供的場地設計地震動反應譜譜形參數值(阻尼比為 0.05 )，小震時水平地震影響系數最大值αmax=0.138,大震時水平地震影響系數最大值αmax=0.775，0.775/0.138=5.62，按5.62倍多遇地震作用，△′=5.62×37.5=210.75mm，即取連廊支座可滑移量不應小于210.75mm，根據廠家提供的鉛芯(LRB)建筑隔震支座性能參數，LRB400在罕遇地震作用下隔震支座的位移限值為△=0.55D=0.55×400=220mm>210.75mm，同時，橡膠層總厚t=78.38mm,3t=235.14mm>210.75mm，滿足要求。LRB400鉛芯支座主要參數如表1所示。

表1　LRB400鉛芯支座主要參數

2.3彈性分析計算

根據初步選取的支座型號，采用盈建科(YJK)結構分析軟件，建立了獨立計算模型和整體計算模型(見圖3)，獨立計算模型中南樓、北樓單獨建模計算，連接體部分按荷載輸入，整體計算模型中南樓、北樓和連接體部分整體建模計算，連體部分隔震支座采用連接單元建模(見圖4)，支座參數按實際輸入。

2.3.1風荷載作用下計算

基本風壓為0.80kN/m2，地面粗糙度類別為A類，圍護結構高度按12.0m。計算結果如表2所示。

表2　風荷載作用下計算結果

風荷載作用下，單個支座受到的水平力VRW為300×1.4/16=26.25kN，小于支座的彈性恢復力K100×t=0.92×78.38=72.10kN,且小于屈服力，處于彈性狀態。其中K100為隔震支座在水平剪切應變100%時的水平有效剛度，t為橡膠總厚度。

2.3.2多遇地震下的振型分解反應譜法計算

對結構自振周期、地震作用和風荷載下底部總剪力進行了比較。經對比分析可知，主體結構在整體計算與獨立計算中，兩者差異很小，也即可以認為連接體部分無法起到協調兩者變形的作用，南、北樓可以單獨計算，包絡設計[2]。

對連廊支座情況，X、Y向的單向地震及雙向地震，αmax=0.138時,反應譜分析的小震作用下支座的最大剪切變形值如表3所示。

表3　小震作用下支座的最大剪切變形值　mm

其中X向地震作用下最大剪切變形的支座為Link9，水平剪力為22.9kN；Y向地震作用下最大的剪切變形的支座為Link8，水平剪力為23.5kN。

2.3.3多遇地震下的彈性時程補充計算

選用3組地震波，一組為與設計目標反應譜相符的人工模擬加速度時程，其余2組為真實強震加速度記錄。對所用地震波的時程以及其所得到的反應譜曲線(見圖5～圖8)，并與目標反應譜進行對比。所選用的地震時程記錄幅值與持續時間均滿足規范要求，所得到的反應譜曲線與目標反應譜曲線的相符程度也是令人滿意的。

輸入地震波的加速度峰值取為55cm/s2，選擇Chi-Chi, Taiwan-06_NO_3276波、TH4TG045波和ArtWave-RH1TG045，特征周期Tg為0.45s的地震波，地震波長為0.005s和0.02s，結構阻尼比為0.05s，持續時間不少于30s。

上述3條時程曲線中每條時程曲線計算所得到的結構基底剪力均大于振型分解反應譜法計算結果的65%，且3條時程曲線計算所得到的結構基底剪力的平均值大于振型分解反應譜法計算結果的80%，滿足規范要求。

以下為選用Chi-Chi, Taiwan-06_NO_3276波的作用下，鉛芯橡膠支座變形情況。

其中Link1為X向剪切變形最大的支座，Link2為Y向剪切變形最大的支座。

2.3.4彈性計算分析結論

由以上分析可見，反應譜分析時，支座最大的剪切變形為Y向28.40mm，水平剪力為23.5kN，處于彈性范圍內，滿足小震彈性的設計要求；彈性時程分析時，在Chi-Chi, Taiwan-06_NO_3276波雙向地震作用下，16個鉛芯橡膠支座中X向水平剪力最大值為42.50 kN,X向水平剪切變形最大值為46.65mm，Y向水平剪力最大值為39.79 kN,Y向水平剪切變形最大值為45.00mm，所有橡膠支座處于彈性恢復范圍內，滿足小震彈性的設計要求(詳見表4)。

表4　支座的最大剪切變形值　mm

2.4非線性分析和地震評價

為驗算連接體在罕遇地震作用下的結構抗震性能，本文采用YJK-EPD軟件，按照動力彈塑性時程分析方法對結構進行非線性地震反應分析，考察其宏觀抗震性能及塑性鉸的形成規律，確定大震下隔震支座剪切變形是否滿足抗震性能對其的設計要求。表5、表6分別為南、北樓整體計算時三、四層的最大層間位移角和隔震支座處的最大位移。

表5　南樓YJK整體計算

表6　北樓YJK整體計算

結構在罕遇地震作用下對連接體結構進行彈塑性時程動力分析，采用T021地震波，加速度峰值取為310cm/s2，鉛芯橡膠支座的變形情況見表7。

表7　大震作用下支座的最大剪切變形值　mm

其中Link9為X向剪切變形最大的支座，Link1為Y向剪切變形最大的支座。

由以上分析可知，連接單元彈塑性時程動力時程分析時，在大震雙向地震作用下，16個鉛芯橡膠支座中支座X向水平剪力最大值為85.0kN，X向水平位移最大值為127.54mm，Y向水平剪力最大值為90.0kN,Y向水平位移最大值為128.63mm，柔性支座進入塑性狀態，但小于3t，t為橡膠層總厚78.38mm，且小于0.55D，D為LRB400有效直徑，D=400mm，滿足設計要求。而且，水平剪力-水平剪切變形滯回曲線飽滿，隔震耗能效果較好(詳見圖9，圖10)。

2.5舒適度驗算

按照《混凝土結構設計規范》GB50010-2010[3]中3.4.6條和《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010[4]中3.7.7條的要求，樓板的最低階固有頻率必須滿足一定的限值(住宅和公寓不宜低于5Hz，辦公樓和旅館不宜低于4Hz，大跨度公共建筑不宜低于3Hz)，否則需進行動力學時程分析判斷其最大加速度響應是否滿足要求。本工程連廊主梁跨度15.8m，主梁為鋼梁(BH1000×400×18×20)，高跨比約 1/16，兩端鉸接，樓板采用1.2mm鍍鋅壓型鋼板與鋼筋混凝土組合樓板，厚度為150mm。采用PKPM中的SLABFIT模塊，利用該模塊，可以對復雜樓板結構進行自振模態分析和動力學時程分析。SLABFIT 模塊接力 PKPM 系列軟件中的PMCAD 模塊進行計算，以單層樓面結構作為分析對象，基本思路為：選取 PMCAD 中的一個樓層作為分析模型，將與樓板相連的墻、柱簡化為彈性支座，對樓板施加動力荷載(包括固定荷載和移動荷載)，計算樓板的自振模態和動力學時程響應，根據第一自振頻率和最大加速度響應來判斷樓板是否滿足規范給定的舒適度要求。經計算得到的模態分析結果如圖11所示，豎向主頻第一階為4.78Hz，可滿足舒適度要求。

對于一般工程，可采用最低固有頻率作為樓板舒適度的控制指標，因為按照《混凝土結構設計規范》GB50010-2010[4]中3.4.6條和《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010中3.7.7條的相關規定，只要樓板的最低頻率大于最低頻率限值，通常便可認為該樓板已滿足舒適度要求，對于某些特殊工程(如舞廳、健身房、體育場館、天橋等)，建議采用加速度響應作為輔助控制指標，也就是說，在已滿足最低固有頻率規范限值的基礎上，進一步計算其動力響應，判斷其最大加速度是否滿足規范要求。

3　結語

對應復雜連接結構，結構設計需根據連接體的跨度、剛度等選擇合適的連接方案并進行相應的分析。對應每一種方案，均需做到計算簡圖明確，傳力路徑合理而且完整，有足夠的承載力和變形耗能能力。同時，連接體一般屬于較大跨度樓蓋結構，設計時應注意樓蓋舒適度的驗算。

[1]傅學怡.一種新型連體-鉸接連體結構設計[J].第二十三屆全國高層建筑結構學術會議論文,2014.

[2]徐培福.復雜高層建筑結構設計[M].北京:中國建筑工業出版社.2005.

[3]GB 50010-2010 混凝土結構設計規范[S].

[4]JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].

黃運財(1981.11-)，男 ，碩士，結構工程師。

Connection design of a high rise structure

HUANGYuncai

(Xiamen Ruida Real Estate Co.Ltd,Xiamen 361000)

The connected building is a high-rise building with complex and force.The connection is a key part to ersure its safety under earthquake load. In this paper, combined with the engineering example reference structure design method, a simple discussion on the design process of a high-rise structure connecting body and the method of calculation of the connection body floor comfort.

Connection; Lead rubber bearing; Deformation amount; Floor comfort

黃運財(1981.11-)，男 ，工程師。

E-mail:18963835@QQ.COM

2016-01-18

TU973

A

1004-6135(2016)02-0060-05