高層建筑連體結構設計探討

劉權 鄧方 何黎陽

中機國際工程設計研究院有限責任公司 湖南 長沙 410000

引言

所謂高層連體結構，是指兩個及以上塔樓連接構成的復雜型建筑結構類型，若遇風或地震災害，結構會產生平動變形，同時還會出現扭轉變形；若塔樓不對稱，扭轉效應更為顯著。實踐表明，地震區域連體結構建筑破壞嚴重，尤其是主體結構高度不一或者體型不同時，結構損壞更為嚴重。為此，需基于高層建筑結構的受力特征編制專項結構設計方案，對連接體、兩側塔樓的支座連接等關鍵位置進行應力計算與分析，確定合理參數。

1 高層建筑連體結構組成

按照結構形式，連體結構分為框架、框架—剪力墻、框架—核心筒、筒中筒等形式，應用較多的為鋼管混凝土框架＋核心鋼板剪力墻體系；按照建筑材料，連體結構分為鋼筋混凝土結構、鋼結構、混合結構等；按照塔樓連接的空間關系，連體結構可分為無剛臂、單剛臂、多剛臂體系等。無論何種結構形式，其組成主要為塔樓、連體、大底盤等。

（1）塔樓。塔樓與單體建筑差異較小，主要分為框架結構、剪力墻結構、框筒結構或筒體結構等。若各塔樓高度、平面布置、剛度等相同，則為對稱連體結構，若不同則為非對稱連體結構[1]。非對稱塔樓中各單體剛度、阻尼等均關系到連體結構整體的力學性能。

（2）連接體。連接體是高層連體結構的主要組成部分，使用功能多為連廊、觀光區與大型會議室等，其結構功能為可有效控制各塔樓的變形。連接體位置多設置于兩側塔樓的高處，連接形式主要分為兩種，即凱旋門式或連廊式。凱旋門式，適用于塔樓寬度等一致的情況，采用對稱布置形式；連廊式，顧名思義，即將塔樓間的連接體作為連廊應用，多采用鋼桁架形式，跨度較大。連接體與塔樓的連接方式分為兩端剛接、鉸接，一端剛接一端鉸接，滑動連接等。

（3）大底盤。高層連體結構中為提高商業利用價值，會將建筑下部的樓層設計為商業用房，多將其設計為大空間，擴大占地面積，設置為框架結構，這種大開間裙房即為大底盤。大底盤與主樓可相互連接，或相互獨立均可。

連接體與塔樓連接形式分為兩種，即強連接及弱連接。強連接，要求連接體剛度較高，可有效協調連接體的內外應力并控制變形，多設計為兩端剛接或鉸接；弱連接，即連接體剛度不足，不能對塔體的內力與變形形成較強控制作用，則會將一端鉸接另一端，形成滑動支座[2]。

2 高層建筑連體結構特征

（1）扭轉效應。在荷載作用下無連體的多塔體結構會相互作用，盡管設有大底盤，但是因底盤體量大、剛度大，各塔樓變形與受力也是獨立的；多塔體結構中因有連體結構會對塔樓變形形成約束作用，充分發揮結構體間的相互作用。在風雨地震等荷載作用影響下，建筑連體結構會產生平動變形，同時還會出現扭轉變形，而扭轉效應也會隨著塔樓不對稱性的增加而加大，連接作用越強，則扭轉效應表現越突出。

（2）連體部分受力關系復雜。因連體部分需協調兩側塔樓變形，處于水平荷載下內力水平過高，而另一部分樓層的樓板與梁在兩端塔樓的同方向振動與相對振動作用下，受力更為復雜。為確保建筑結構安全，現行建筑行業規定中提出連接體結構需加設鋼梁、鋼桁架與型鋼混凝土梁，型鋼置入主體結構一定深度（要求必須一跨），并進行錨固處理。對此，需進行以下處理：加大邊梁截面面積；樓板厚度＞150mm，選用雙層雙向鋼筋網，橫縱方向上每層鋼筋網配筋率應準確計算，配筋率應＞0.25%。

（3）連接體兩端與塔樓的連接方式。連接體承受的荷載主要為恒載與活載，需協調兩端連體變形或振動產生的作用力。通常連接體與塔樓連接形式的選擇是優化連接體自身結構屬性的關鍵所在，連接方式必須依據結構、構件特性以及所處位置進行確定，具體連接形式為剛性連接、鉸接、滑動連接[3]。當連接方式為剛性連接或鉸接，連接體與塔樓則連接形成一個整體，分擔荷載。當選擇滑動連接時，塔樓各自獨立，連接體受力水平低，此時設計應更加注重地震作用下連接體滑落或相互碰撞問題的處理。

3 實例分析高層建筑連體結構設計

某項目地上面積為43249.5m2，地下面積為16000m2。該項目地上8層，層高為4.5m，地下1層，層高為6.0m。該項目建筑結構安全等級為二級，結構重要性系數為1.0，設計使用年限為50年，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，抗震設防類別為丙類。

3.1 結構體系及結構布置

該建筑為大跨度連體結構，共有兩個塔樓，均為鋼筋混凝土框架—剪力墻結構，柱網尺寸為9m×9m，主體混凝土結構樓板采用的均為鋼筋混凝土全現澆主次梁樓蓋體系，選用強度為C30混凝土。連體跨度為63m，采用鋼結構桁架，圓形展廳區域中的大懸挑為鋼桁架結構，展廳頂部橢圓造型為單層網殼結構，西側懸挑區域采用型鋼混凝土柱+型鋼混凝土梁結構。

3.2 抗震性能目標

基于性能的抗震設計中，對抗震設防類別、烈度，同時兼顧結構的特殊性將該結構抗震性能目標設定為C級。因該項目中建筑結構復雜，連體、懸挑展廳、斜柱等部位受力復雜，需依據各部位受力狀態對特殊構件進行差異化設計。

3.3 結構計算分析與結果

（1）結構體系特征。該項目中建筑為復雜高層結構，特征如下：①建筑結構為大跨度連體結構，連體結構中獨立部分采用相似的平面布置方案，剛度、體型相近。但是因兩側塔樓體型與剛度差異較大，地震作用下出現45°夾角，選用弱連接形式，在風雨地震荷載的共同作用下，不能對兩側塔樓變形與受力形成有效約束。為此，連體結構與主塔樓選用剛性連接方式，深入塔樓一跨，為型鋼混凝土結構，為水平力的傳遞創造了有利條件。②結構西南角位置設有展廳，跨度達32m，展廳電梯間周邊設有剪力墻核心筒，以作為二道防線。展廳為雙方向鋼桁架，構件重量輕且美觀。③大跨度展廳上方為橢球型屋蓋，為單層網殼結構。因網殼下方的展廳對非對稱大跨度結構，使得網殼支座出現了初始位移，對網殼結構穩定性進行分析時針對初始位移與不考慮初始位移模型開展包絡設計。④建筑結構東側為懸挑結構，長達為15m。斜柱結構采用了兩種形式，分別為兩個方向型鋼混凝土與單方向型鋼混凝土。受力方向上的鋼筋連續，采用單方向型鋼混凝土、另一方為混凝土結構形式。假設存在單層失效情況，且只有一榀斜柱承擔工況開展驗算可知，需適當增加結構冗余度。

（2）多遇地震分析。該工程多遇地震分析計算選用YJK、MIDASGen軟件，結合偏心地震、雙向水平地震與豎向地震等綜合作用，同時兼顧扭轉耦聯、斜交抗側力構件等多重影響，應依據樓層進行逐級加載，連體部分應對主體施工進行考量，完成后再進行一次性加載。

計算結果如下：樓層最大層間位移角、剪重比與剛重比等滿足規范要求；在偶然偏心水平力作用下，樓層兩端的抗側力構件層間位移值進行比較，位移最大值與平均值之比大于1.2，分析確定為扭轉不規則結構。但是因連接體的存在，四層至七層的側向剛度比不滿足規范要求；六層受剪承載力本層與相鄰上層，其比值不滿足規范要求。結構設計時需擴大關鍵部位柱截面面積，同時提高豎向與斜撐構件抗震等級。基于上述內容，項目選用框架—剪力墻結構。

該工程選用YJK軟件進行分析計算，選取兩組人工波與五組天然波開展多遇地震下彈性時程分析。經分析發現，多遇地震作用下彈性時程層間位移角小于1/800，七組時程曲線最大樓層彎矩、剪力平均值均低于反應譜計算結果。

（3）設防地震驗算。主要型鋼混凝土柱驗算，構件整體抗剪承載力余量大；對展廳懸挑桁架與大跨桁架強度應力比進行中震驗算，分析可知應力均符合地震控制要求。此外，對中震作用下的墻體結構進行受拉驗算，發現墻體出現拉應力情況較少，需優化墻體豎向配筋率方案。

（4）彈塑性時程分析。該建筑連體結構在罕遇地震情況下出現非線性行為，改變了連接體結構的應力狀態，只有結構具有大震動力彈塑性，方可控制罕遇地震對于連體建筑結構的破壞作用。經彈塑性時程分析可知，建筑結構剪力與小震彈性數值之比為3.5倍，符合規范。模擬地震構建模型，連接體在地震作用下會出現雙向偏移，經計算雙向層間位移角最大值分別為1/127、1/117，低于規定限值（限值為1/100）。

4 結束語

綜上所述，因高層建筑連體結構層數較多，形式多樣，受力狀態復雜，需依據建筑結構的具體形式，選用適宜的結構布置方案和連接方式，通過時程分析、模型計算等確定各項參數，優化設計方案，并對薄弱部位或關鍵構件進行加強處理，以提高建筑結構的穩定性和安全性。