某高層辦公樓連接體結構方案選型探析

張開瑩

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

當前高層建筑設計中，越來越多出現雙塔或者多塔之間的連體結構。大跨度的連體結構，既能連接起不同的平面空間，又豐富了建筑立面，成為建筑造型的亮點和記憶點。

連接體一般采用輕巧的鋼結構，常用結構形式有桁架式、空腹桁架式、混合桁架式、懸臂式、梁式等[1-5]。連接體結構和主體結構的連接又分為兩種：剛性連接和滑動連接。不同的連接體結構形式，其受力形態不同，對塔樓的影響也相差較大。本文結合福州市某高層連體辦公樓的工程實例，對連接體的結構選型做分析對比。

1 工程概況

辦公樓位于福州市倉山區，1#和2#為雙塔連體建筑，效果圖如圖1所示。地下一層，地上十層，首層層高4.5 m，標準層層高5 m，建筑總高度49.5 m。塔樓平面鏡像對稱，標準層采用帶柱帽的空心樓蓋，以達到較好的使用凈高，典型的結構平面如圖2所示。建筑八層、九層設高空連廊，跨度33.6 m，立面高度10 m，樓板平面寬度28.3 m。

(b)八層結構平面圖圖2 主要樓層結構平面圖

建筑抗震設防類別為標準設防類(丙類)，抗震設防烈度為7度(0.01g)，設計地震分組第三組，建筑場地類別Ⅲ類。50年一遇的基本風壓為0.7 kN/m2。兩棟塔樓采用現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，剪力墻的抗震等級為二級，框架的抗震等級為三級，連接體及與連接體相連的結構構件在連接體高度范圍及其上、下層，抗震等級提高一級[6]。

作為超限高層建筑，綜合考慮項目的結構特點、震后修復難易程度等因素，將其中關鍵構件(連接體鋼結構、與連接體相連的框架柱、局部連層柱)的抗震性能目標水準定為C級，普通豎向構件和耗能構件的抗震性能目標水準定為D級。結構設計時還采取了以下這些加強措施：①連接體及與連接體相連的豎向構件考慮豎向地震作用；②連接體構件在小震下的應力比不超過0.75；③與連接體相連的豎向構件的軸壓比，按抗震等級一級的限值控制；④連接體及塔樓內兩跨的樓板板厚不小于150 mm，進行有限元應力分析，在小震下樓板拉應力不大于混凝土抗拉強度標準值，中震下樓板鋼筋應力不大于鋼筋抗拉強度設計值；⑤連接體做正常使用的舒適度驗算。

2 連體結構選型

2.1 初選4種連體結構方案

考慮到建筑立面的完整性，連接體的結構沒有選擇需要設置抗震縫的懸臂式和滑動支座連接，而是采用整體剛性連接的形式。本項目兩側塔樓具有相同的體型、平面布置和剛度，而且連接體的尺寸較大，剛度大，也適合與塔樓形成一個共同受力的整體，除了承擔自身的荷載，還可以協調兩端塔樓的變形。

與兩側塔樓的柱網對應，設四榀主結構，間距7 m～11.2 m，各層鋼梁延伸入兩端塔樓一跨，通過局部型鋼混凝土梁、柱的形式做可靠連接，樓層梁板作為平面外連接。根據建筑立面和內部凈高的要求，9層樓面梁的梁高不超過0.6 m，8層樓面和10層屋面梁的梁高可以加大到不超過1.2 m。若僅用單層的梁式受力，跨高比顯然太大了，而用三層結構梁共同組成桁架式受力的話，中間層即9層樓面梁受力較小，以承擔本層豎向荷載為主，0.6 m高度就可以滿足要求，受力大的桁架上弦、下弦截面可取為1.2 m。

按此思路，篩選出空腹桁架、加斜撐的空腹桁架、加拉桿的空腹桁架和跨層鋼桁架這四種結構方案，如圖3所示。采用盈建科軟件整體建模，分別對比結構的整體動力特性、連接體的變形及構件內力、塔樓相關構件的內力。4種方案的構件截面取為一致，上下層采用600×1200的箱型梁，中間層采用500×600箱型梁，立柱或斜桿采用600×600的箱型截面。其中，空腹桁架方案的柱距為4.2 m，其余3種方案增加了斜向腹桿，則豎向立柱的柱距加大至8.4 m。

(a)方案1空腹桁架

(b)方案2加斜撐的空腹桁架

(d)方案4 跨層桁架圖3 電算模型立面圖(7層以上)

2.2 整體動力特性比較

采用振型分解反應譜法，計算四種方案的自振周期(表1)。4種結構形式的前三階振型，均為結構的整體振動，且方向一致。第一振型為長方向X向的平動，第二振型為短方向Y向的平動，第三振型為整體扭轉。可見，四種連體形式均具有較大的剛度，足以起到協調兩塔樓變形的作用。前三種結構方案的自振周期基本一致，第4種跨層桁架的第一自振周期T1值最小，其x向的抗側剛度最大，但扭轉為主的第一自振周期T3與平動為主的第一自振周期T1之比達到了規范限值0.9[7]，說明中部結構的剛度過大，使得整體抗扭剛度偏弱。

表1 結構自振周期

2.3 連體結構撓度比較

表2列出四種結構方案在豎向荷載標準值作用下的跨中最大撓度，均小于規范規定的撓度允許值[8]。可見，結構豎向變形以永久荷載作用為主；方案4跨層桁架的豎向剛度最大撓度最小；方案2、3因為在端部設置了斜腹桿，可以把部分豎向荷載通過斜腹桿的軸力直接傳到兩端的框架柱上，傳力途徑多了，橫梁的撓度也較小。而方案1的空腹桁架雖然加密了豎桿，用鋼量已經大于方案2、3，但豎向荷載仍要全部通過橫梁傳遞到支座，橫梁豎向變形最大。

表2 豎向撓度值

2.4 連體結構的構件內力分析

選取受力最大的中間榀桁架的計算結果進行對比，圖4為4種結構方案在恒載工況下的彎矩圖、軸力圖，表3分別列出恒載工況下彎矩、軸力最大值及按小震設計時構件的最大應力比。

(a)方案1彎矩圖

(b)方案1軸力圖

(c)方案2彎矩圖

(d)方案2軸力圖

(e)方案3彎矩圖

(f)方案3軸力圖)

(g)方案4彎矩圖

(h)方案4軸力圖

表3 構件內力值及應力比

內力圖可以直觀地看出結構方案的受力特點。4種方案均是兩層高度整體受力的桁架，下弦(8層梁)受拉，上弦(10層梁)受壓，中間層(9層梁)位于和性軸上，軸力基本為0，但不同部位上構件的軸力和彎矩分布還是有很大差別。

方案1空腹桁架的上下弦橫梁彎矩都很大，特別是支座彎矩，達到其余3種結構形式的3～4倍，即使受力相對小的中間層橫梁，其支座彎矩值也和方案2、方案3的上下弦支座彎矩基本相當。豎桿僅承受很小的壓力，但彎矩也較大，從靠近支座處到連體的跨中逐漸減小。空腹桁架的整體彎曲變形和剪切變形，都主要通過構件的彎曲來實現，因此需要構件有足夠的抗彎剛度，特別是靠近支座端橫梁和豎桿，構件應力比都比較高，截面還需要加強。相應的，作為連接體支座的框架柱受彎也是最明顯的，這點對塔樓結構比較不利。

方案2、方案3在空腹桁架兩端增加了斜桿，以斜桿的軸向受力來承擔桁架整體剪切變形的剪力，各層橫梁支座處的彎矩只有方案1的約30%。支座處塔樓柱的彎矩也顯著減小，橫梁彎矩最大值出現在上下弦跨中，構件的應力比適中。豎桿的彎矩也只有方案1的約40%，而軸力大大增加，更接近于軸向受力為主的桁架腹桿。兩個方案中的斜桿方向不同，則斜桿和豎桿的拉壓力分布正好相反，方案2的斜撐受壓、豎桿受拉，方案3的斜杠受拉、豎桿受壓。鋼構件的抗拉強度高，受拉桿又可以避免受壓桿的失穩問題，因此，這兩種方案中的腹桿尺寸，可以依據拉壓受力狀態做進一步優化。

需注意的是，方案3的斜拉桿拉力集中，數值很大，因此塔樓支座處的樓板局部拉應力也較大，應采取加強板厚、配筋等措施，同時，作為傳遞拉力的關鍵構件，內伸至塔樓內的型鋼梁也應滿足中震彈性的設計要求，確保拉力能可靠傳遞。對于本項目，塔樓內的建筑凈高要求比較高，從連體桁架伸入塔樓內的型鋼高度只有500 mm，與連體桁架的弦桿截面差別較大，因此支座處拉力較小的，方案2會更適合。

方案4就是典型的桁架式受力模式，除了支座處，各構件的彎矩都很小，以承擔軸力為主，效率更高，各構件的應力比也比其他三種方案都小，因此上下弦梁的截面尺寸還可以優化減小。但此方案的斜桿數量最多，對建筑立面效果和內部空間影響較大。

3 結語

本文結合福州市某連體辦公樓的工程實例，對比分析了四種連體結構形式的受力特性，可以得到以下幾點結論：

(1)空腹桁架只有橫梁和立柱，對建筑平面布置最有利，但整體豎向剛度較差，且構件以彎曲受力為主，弦桿、腹桿、塔樓中與連體相連的柱都需要有足夠的抗彎剛度。因此，在實際工程中若選用此方案，結構用鋼量也是這4種方案中相對最大的。

(2)在普通空腹桁架支座端增加斜向腹桿，形成混合型空腹桁架，將桁架整體剪切變形的剪力轉換為斜桿的軸力，大大減少了桁架上下弦桿的彎矩。此方案增加的桿件數量不多，但傳力路徑更直接，連接體豎向撓度也明顯減小，在結構的合理性和經濟性上都具有優勢。

(3)混合型空腹桁架是設斜壓桿還是斜拉桿對結構整體而言差別不大，兩種方案的整體指標基本一致。斜拉桿可以充分發揮鋼結構的抗拉強度，避免受壓失穩，宜做為優選方案。本項目因塔樓內的梁截面較小，抗拉能力偏弱，所以選用斜壓桿方案。

(4)跨層桁架式結構的整體剛度大，傳力途徑明確效率高，構件可以做到這四種方案中最小的截面尺寸，但斜向桿件多，對建筑方案影響較大。當連接體的體型尺寸較大時，要優化桁架節間距和構件尺寸，避免連體的剛度過大，而使整體結構的扭轉效應增大。

(5)連體結構是整棟建筑設計的亮點，結構選型也要充分考慮建筑效果，本項目最終選擇了加斜撐的混合型空腹桁架形式，端部斜撐方向和建筑立面的拱形方向一致，而且中部柱距8.4 m，無斜向構件，空間開闊，對外的視野也好。