某大跨度連體超限高層結構設計

賴艷芳

某大跨度連體超限高層結構設計

賴艷芳

（中元( 廈門) 工程設計研究院有限公司，福建 廈門 361004）

本工程是存在6項不規則的超限高層連體建筑，東塔高91.45m，西塔高95.5m，在標高75.0m以上，通過跨度42m的轉換桁架連接為一體。介紹了針對該結構超限情況采取的設計措施與抗震性能要求，進行了多遇地震下的彈性反應譜分析、彈性時程分析和罕遇地震下的彈塑性分析，并開展了中震下樓板應力分析、轉換桁架有限元分析、躍層支撐及其相連框架柱等關鍵節點構件分析，并討論了連接體的構造加強措施。分析結果表明結構具有良好的抗震性能，能夠達到預期性能目標。

高位大跨度連體；超限高層；框架—剪力墻結構；抗震設計

1 工程概況

現代服務業基地（丙洲片區）統建區Ⅱ-4地塊工程位于廈門市同安區濱海西大道。本工程由1棟連體的高層辦公樓及4層附屬配套建筑組成，2層地下室。總建筑面積10.99萬 m2，其中地上建筑面積8.822萬 m2，建筑面積2.168萬m2。連體建筑的西塔23層，屋面結構標高95.500m；東塔22層，屋面結構標高91.450m，東西塔在標高75.0m（第19層）以上連為一體，直到東塔屋面。主樓采用帶躍層斜撐的框架—剪力墻結構[1]。圖1為建筑效果圖。

工程設計使用年限為50年，建筑結構安全等級一級，建筑抗震設防類別為乙類。設防烈度為7度，基本地震加速度為0.15g，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.45s。基本風壓0.8kPa，地面粗糙度A類。

圖1 建筑效果圖

2 結構體系

2.1 結構體系概述

地上建筑在1層~5層連為整體，6層~18層分為東、西2個塔樓，19層~22層通過42m跨度鋼連廊剛性連接為一體，至東塔屋面。塔樓各層平面見圖2~圖4。東西塔樓為鋼筋砼框架—剪力墻結構，受拉墻體內設置鋼骨。由于剪力墻數量較少抗側剛度不足，建筑對辦公環境通透效果追求，外立面設有4道躍層斜撐，控制結構的扭轉效應；躍層斜撐采用型鋼混凝土結構，截面600×600~700，與之相連框架柱、框架梁也采用型鋼混凝土結構。

圖2 4層建筑平面圖

圖3 6層~17層建筑平面圖

圖4 連體層（19F）結構平面圖

通過多方對比，高位連體部分采用鋼結構轉換桁架與兩個主塔樓剛連接。連體底層（19F）外側縱向設置兩榀主桁架，橫向設置2榀次桁架及2榀空腹桁架。桁架層跨度42m，層高4.2m，桁架高度單層略不足，雙層浪費，在桁架上設斜拉桿，形成剛度較大的轉換結構。見圖5。

圖5 轉換桁架三維圖

表1 轉換桁架主桿件截面

項目在東西塔采用現澆鋼筋混凝土樓板，鋼連廊部分采用鋼筋桁架樓承板。5F裙房屋面連接部分及相鄰2跨，23F連體屋面、19F、20F連體外延過渡區板厚取150㎜；19F、20F連體部分及外延2跨區域板厚180㎜，其余區域120㎜厚。由于主樓基礎為直徑1.2m的機械成孔灌注樁，持力層為⑩中風化花崗巖，可認為基礎基本沒有沉降，文內不討論基礎沉降差異對連體結構的影響[2]。

2.2 超限情況

本工程主要屋面結構高度96m，同時具有所列6項不規則[2]：①由于最大扭轉位移比達1.3而扭轉不規則；②3層~5層與19層~23層平面內凹達60%而凹凸不規則；③2層樓板開洞后有效寬度最小處僅39%而樓板不連續；④19層以上連體導致剛度突變；⑤塔樓在3層、5層、19層都有較大尺度的平面收進，導致尺寸突變；⑥因為連體的緣故，18層樓層受剪承載力不足0.8，導致構件間斷和承載力突變共，還有躍層柱導致的局部不規則；屬于特別不規則的超限高層建筑結構。見圖6。

圖6 結構三維立面圖

3 結構整體計算分析

本項目屬于高位、大跨度的連體結構，塔樓的體型、平面布置差異較大，為調整東西塔樓動力特性相近，減小結構在水平工況下的耦連振動[1]，計算模型包絡以下計算指標：①東西2個單塔在不帶裙房及連體荷載的工況下，最大層間位移角控制在1/700~1/750左右，最大層間位移比控制在1.4以內；②連體結構整體計算時，按位移角1/800，位移比1.4控制。

由于塔樓在6層~18層分做2塔，計算結果在這些樓層均體現雙塔特性。

3.1 小震彈性分析

總的來說，除底部裙房及連體層外，樓層質量沿高度的分布比較均勻，無異常突變，見圖7；第18層為連體下層，X向及Y向與19層的受剪承載力之比分別為0.70、0.90，呈現為薄弱層，應乘以放大系數1.25，見圖8。

前三周期T1=2.44s（Y向平動），T2=2.24s（X向平動），T3=2.04s（扭轉），T3/T1=0.83，滿足規范0.85的要求。

圖7 各層質量分布圖

圖8 各層剛度比

單塔計算是塔樓的位移角指標雖然在1/770左右，加上連體后，位移角指標總體提高較多，見表2。體現連體部分增強塔樓的整體抗側剛度，協調東西塔的變形，共同抵抗側向荷載的能力，其本身的受力也必然復雜[3-5]。

表2 地震及風荷載作用下的最大層間位移角

3.2 風洞結果采用

因體型復雜，項目做了風洞試驗。風氣候分析得到的基本風壓值W50=0.78kPa略低于規范值0.8kPa，整體樓層剪力小于規范風荷載下樓層剪力。但左塔Y向5F~17F風洞風荷載下的樓層剪力明顯大于規范風荷載下的樓層剪力，究其原因還是建筑自身塔樓及周邊高層建筑對來流風具有一定的遮擋效應，施工圖強度計算中給予包絡設計。為了保證結構的安全，本工程實際采用規范值W50進行主體結構強度計算[3]，同時應包絡風氣候分析的風荷載。

3.3 彈性時程分析

本項目進行彈性時程分析作為反應譜分析的補充計算。時程分析7組波的平均剪力值大于振型分解反應譜法的80%，各條波分別作用下的底部剪力值均大于振型分解反應譜法的65%，滿足規范GB50011-2010的規定。時程分析樓層剪力和位移平均結果與規范反應譜結果規律基本吻合，證明反應譜法計算結果合理。在小震構件設計時，多條波平均值與CQC法計算比較后，需要放大的主要為16層及以上樓層，放大系數最大值為1.16。

圖9 彈性時程分析與反應譜分析各樓層位移角

3.4 豎向地震對結構的影響

《高規》[1]明確規定連體部分考慮豎向地震作用的影響，強度進行包絡設計。考慮施工次序及地震下樓板剛度退化，轉換桁架桿件內力計算采用樓板厚度為“0”工況復核。從表3可以看出，桿件內力由平時使用工況控制，地震作用不起控制作用。

表3 轉換桁架桿件最大內力

豎向地震下連體結構豎向振動頻率為3.5Hz，滿足規范不小于3Hz的豎向振動舒適度要求。

3.5 溫度作用對結構的影響

因平面功能及立面特點，從裙房到塔樓均未設置結構伸縮縫。裙房最大平面尺寸15.08×60.18，連體部分最大平面尺寸109.34×57.78，考慮溫度作用對結構影響，由于施工階段都設有溫度后澆帶，大多數構件都是室內構件，在超長樓層2F~5F及19F~23F層計算使用階段溫度作用。計算中考慮使用階段的溫度變化為升溫15℃，降溫15℃，設計中按包絡結果配筋。對樓板采用以下加強措施：①轉換層上下樓板平面內增加水平支撐；②提高樓板的配筋率，采用雙層雙向通長配筋；③主體支撐柱周邊應力集中應加強配筋率。

3.6 結構舒適性驗算

結構舒適性驗算取10年一遇的風荷載標準值0.5kN/m2，阻尼比取0.02。風致結構頂點加速度在Y向為0.096m/s2，滿足規范辦公類建筑不大于0.25m/s2的舒適度限值。

4 主要構件設計驗算

4.1 關鍵構件抗震性能化設計

針對本工程結構超限的情況，綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構的特殊性、造價等因素，本工程結構的關鍵構件進行抗震性能化設計，見表4。

4.2 中震下樓板應力分析

19層、20層為連體轉換桁架層樓板，板厚為180mm，應保證中震下不屈服的性能目標。樓板按膜單元模擬。樓板配筋按“恒+活”計算受彎鋼筋外，疊加中震不屈服計算所得平面內受力鋼筋配置雙層雙向通長配筋。中震下各加強層樓板應力水平約為2～4MPa，基本滿足抗剪截面剪壓比要求。由中震下樓板面內軸力分布圖可知，樓板大多數部位軸向應力分布較均勻，少數部位軸向應力較大，需要特別加強。樓板絕大多數部位面內軸力為600kN/m，上下表面各需增加計算配筋值為750㎜2/m（實配14@150，1026㎜2）。

關鍵構件抗震性能化設計 表4

地震水準多遇地震設防地震罕遇地震 性能水準134 關鍵構件底部加強區（1F~4F）剪力墻、連體轉換桁架及其上下個一層（18F~20F）剪力墻、躍層支撐體系彈性正截面不屈服，斜截面彈性抗剪截面不屈服 與連體轉換桁架層及上下各一層（18F~21F）相連的框架柱（往主樓平面內延伸1跨）、東側支撐桁架的17F~18F的躍層柱 連體轉換桁架層及上下各一層（18F~21F）的剪力墻 與型鋼混凝土巨撐相連的框架柱及框架梁 連體范圍內的轉換桁架及與其相連的往主樓平面內延伸1跨的框架梁彈性彈性正截面不屈服，抗剪截面不屈服

4.3 轉換桁架

4.3.1整體地震分析

轉換桁架作為關鍵構件，其主桁架計算對比分析5種工況：小震（彈性膜）、小震（零板）、中震（彈性膜）、中震（零板）、大震（零板）等多種情況下構件的受力情況如表9.3所示，中震下連體桁架各構件均能夠滿足“中震彈性”、“大震不屈服”的性能目標，考慮施工次序及地震下樓板剛度退化的可能性，進行取消樓板厚度，進行“零板”工況復核，桁架腹桿內力有所減小，弦桿內力增大較為顯著，但未進入屈服狀態，強度滿足中震彈性及大震不屈服的性能目標[4]。

4.3.2轉換桁架復雜節點有限元分析

為了保證節點在地震作用下傳力的可靠性，達到“強節點弱構件”的抗震設計原則，同時考慮與節點相連的構件性能目標，采用abaqus軟件對節點域大震下彈塑性性能進行模擬分析。節點在轉換桁架的位置見圖5中節點1。

大震下節點域的Von mises應力除下弦桿截面角點處接近屈服外，其余均小于鋼材的屈服強度。節點區的鋼板應力小于桿件端部鋼板的應力。節點域鋼筋最大應力303.4 MPa未達到屈服。節點域混凝土受壓進入塑性，塑性應變-0.000075～-0.00090，塑性程度輕微。節點域在大震作用下可以達到大震不屈服的性能目標[5]。節點域的應力水平小于連接桿件的應力水平，可以滿足強節點弱桿件的設計要求。

圖10-1 節點三維模型 10-2 混凝土受壓塑性應變圖

圖10-3 鋼骨Von mises應力圖 圖10-4鋼筋應力云圖

4.4 躍層支撐及其相連框架柱

躍層支撐實際是一個立面上的“巨型桁架”：以框架柱為弦桿，水平框架梁為腹桿，支撐為斜桿，各桿件均采用鋼骨混凝土結構；在水平力作用下，躍層支撐在樓轉折處桿件內力基本是自平衡的，是以桁架的方式工作。作為塔樓結構的第二道防線，其不承擔塔樓的豎向荷載，這就要求每道斜撐鋼骨在其中一個樓層距地1.2m高度預留后連接位置，斜撐待主體完工后再進行焊接及澆筑。躍層斜撐在底部彎矩應由地下室墻體等構件予以平衡或斜撐也可落到地下室。

5 施工模擬

參照已有類似高位連體轉換工程項目，本項目擬采用連體轉換桁架整體后吊的施工順序。采用ETABS軟件對結構進行了“恒+活”工況下的施工順序加載分析。

加載次序為：逐層施工左右兩塔樓，待塔樓施工完成后，開始施工19~20層的連體轉換桁架，待轉換桁架施工完成后，開始逐層施工轉換桁架以上樓層。

考慮施工順序加載與一次性自重加載相比，轉換桁架下弦軸力和彎矩分別增加了83.9%、35.8%；上弦軸力增加了36.6%，跨中彎矩略有降低；軸力增大16.9%。

6 動力彈塑性分析結果

本項目采用SAUSAGE軟件選用2條天然波和1條人工波進行動力彈塑性分析，在7度0.15g罕遇地震(峰值加速度310cm/s2）下，抗震性能能夠滿足規范規定的彈塑性性能要求：

1、結構最大層間位移角，X方向為1/103（17層），Y 方向為1/100（19層），滿足“大震不倒”1/100限值的要求。

2、大部分框架梁中部混凝土損傷系數在0.14以下，端部混凝土損傷系數在0.2以下，出現輕度損壞至中度損壞；框架梁端部鋼筋出現屈服，型鋼混凝土框架梁中少數型鋼出現屈服，出現輕微損壞。

3、大部分框架柱受壓損傷系數在0.2以下，；框架柱中鋼筋的塑性應變大部分在0.001以下，絕大多數為無損壞~輕度損壞；在結構中部樓層部位少數部位鋼筋塑性應變達0.006~0.008，中部樓層少數框架柱出現中度~重度損壞。

4、大部分剪力墻混凝土損傷較小，下部樓層混凝土變墻厚區域出現較大損傷。第5層裙房屋面頂分塔后，5層屋面成為上部塔樓的嵌固端造成第4層墻體損傷嚴重，采取了加強措施；大部分連梁端部發生受壓損傷破壞，在罕遇地震作用下連梁形成了鉸機制，符合屈服耗能的抗震工程學概念。連梁均出現了中度~重度損壞，剪力墻墻肢為輕度~中度損壞，少數區域出現重度損壞。

5、大震作用下，轉換桁架最大應力為250MPa左右，尚未屈服，滿足大震不屈服性能目標。

6、巨型斜撐混凝土損傷系數都在0.25以下，鋼筋塑性應變較小，不足屈服應變的5%，巨型斜撐為輕微損壞~輕度損壞。

7 結構加強措施

針對結構存在的6項超限情況，除達到性能化目標外，還相應采取了構造加強措施：

1、針對連體結構安全性，對與連體相連的框架柱采用型鋼砼結構，在連體高度范圍及其上、下層（18F~21F）抗震構造措施提高至特一級；箍筋全柱段加密配置，軸壓比限值從嚴按0.6控制。

2、連體高度范圍及其上、下層（18F~屋面層）的剪力墻抗震構造措施提高至特一級；

3、與連結體相連的剪力墻在連結體高度范圍及其上、下層（18F~屋面層）設置約束邊緣構件。

與巨型支撐相連框的架柱抗震構造措施提高至特一級；

4、轉換桁架上下樓層厚度提高至180mm，連體屋面板厚提高至150mm；裙房屋面樓板厚度提高至150mm；對以上樓板均采用雙層雙向配筋，每層每方向的配筋率不小于0.25%；轉換桁架樓板中增加鋼支撐，外延塔樓區域增加構造鋼筋帶。

5、從嚴控制主要抗側構件延性指標，底部加強區剪力墻軸壓比控制在0.45以內，其它部位剪力墻軸壓比控制在0.50以內；底部加強區框架柱軸壓比控制在0.7以內，其余部位框架柱控制在0.75以內。

8 結論

本工程設計時針對結構自身的不規則情況，設定抗震性能化設計目標,采用了多種計算軟件對模型進行了彈性及彈塑性分析，綜上結果表明，結構設計能夠達到預定的性能目標要求。

[1]高層建筑混凝土結構技術規程:JGJ3—2010[S].北京:中國建筑工業出版社,2011.

[2]超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點:建質[2015]67號[S].北京:中華人民共和國住房和城鄉建設部,2015.

[3]建筑抗震設計規范:GB50011—2010[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[4]梁兆敏.超限高層建筑工程抗震設計中的若干問題[J].智能城市,2016,02(05):47.

[5]杜曉東.某超限高層結構抗震設計及分析[J].安徽建筑,2020,27(09):89-91.

賴艷芳（1973.6- ），女，漢，籍貫：福建福州人，職稱：高級工程師，學歷：碩士研究生，單位：中元( 廈門) 工程設計研究院有限公司，研究方向為結構工程設計。

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