某復雜高層連體結構設計方法與思路

沈文杰

（安徽省建筑設計研究總院股份有限公司， 安徽 合肥 231000）

1 工程概況

北航合肥科學城創新研究院主樓（圖1） 位于新站高新區魏武路以南， 文忠路以西， 項目總用地面積7.7 萬m總建筑面積18 萬m， 地上建筑面積14 萬m， 地下建筑面積4 萬m。 建筑功能為研究中心、辦公、 公共配套、 公寓及會議中心。 地面以上建筑長度243m， 寬153m， 地上10 層， 地下1 層， 1 層層高5.4m， 2 層及以上層高4.2m， 建筑高度為43.2m。

圖1 建筑效果圖

項目風荷載取值為0.35kN/m， 地面粗糙度為B類。 由于本項目為高校研究院不屬于中小學， 因此在設計前為明確設防目標進行設防要求分類審查， 并根據審查核定意見確定抗震設防烈度維持7 度第一組， 計算選用的基本加速度仍按照0.10g， 并提高至8度加強抗震措施， 場地類別為II類， 特征周期為0.35s。 結構安全等級取為二類。 地下室局部設計為人防， 結構嵌固于基礎頂。

2 結構方案布置

本工程地上部分通過若干個抗震縫分為東、 南、西、 北四個獨立的結構單元。 根據建筑立面要求， 各個獨立單元在立面上需在所對應方向開大洞口， 其中北樓立面洞口寬度為54m， 高度為28.8m， 南樓立面洞口寬度為54m， 高度為20.4m， 東、 西樓立面洞口寬度為26.1m， 高度為12m。 為實現建筑效果， 除洞口位置外其他部分均采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構， 在洞口上方設置連體桁架， 其中北樓桁架高度范圍為八層至屋面， 南樓桁架高度范圍為六層至屋面，東、 西樓桁架高度范圍為四層至頂層。 混凝土結構柱主要截面為900mm×900mm、 800mm×800mm， 剪力墻厚度為200 ～300mm， 樓板厚度主要為120mm。 南、北樓連體桁架結構跨度54m， 與兩側主體結構相連處寬度為18m， 設置了3 榀桁架， 桁架間跨度分別為8.1m和9.9m。 連體桁架與混凝土結構采用剛性連接， 與桁架相連的的柱子內插型鋼， 按型鋼混凝土柱設置， 并且連體鋼梁延伸至相鄰一跨的框架梁內。 桁架弦桿和腹桿均采用H型鋼， 桁架區域樓板采用鋼筋桁架樓承板， 樓板厚度取150mm以提高桁架自身剛度。 東、 西樓各設置了3 個連體桁架， 跨度為26.1m，桁架寬度為9m， 與兩側的混凝土結構為錯層連接，連體桁架一側設置在四層至六層、 十層至屋面， 另一側設置在四層至八層。 由于該處桁架自身剛度較小，無法協調兩側混凝土結構變形， 連體桁架采用設置滑動支座的連接方式聯結兩側混凝土主體結構， 具體布置見結構平面布置圖（圖2）。

圖2 結構平面布置圖

3 結構超限情況

根據《建筑抗震設計規范》， 本工程具體不規則情況如下。

1） 南、 北樓： a.扭轉不規則， 由于結構單元長度較大， 達到243m， 盡管在兩端設置了剪力墻對位移進行約束， 考慮偶然偏心的扭轉位移比仍達到1.33， 大于1.2； b.剛度突變： 八層及以上由于連體桁架的存在， 剛度較下部樓層增大較多， 八層與相鄰層剛度比為0.62， 剛度變化大于70%； c.豎向構件不連續： 存在連體結構； d.承載力突變： 八層與相鄰層受剪承載力比為0.7， 變化大于80%； e.扭轉剛度弱： 作為連體復雜高層建筑， 扭轉周期比為0.88， 大于0.85。

2） 東、 西樓： a.扭轉不規則， 混凝土結構部分體型為U型， 考慮偶然偏心的扭轉位移比仍達到1.3，大于1.2； b.凹凸不規則： 平面凹凸尺寸約為相應邊長的60%， 大于30%； c.樓板不連續： 二層均布存在大洞口， 有效寬度大于50%； c.豎向構件不連續：存在連體結構； d.尺寸突變： 九層存在立面縮進， 尺寸大于25%。

4 結構計算分析

4.1 反應譜分析

本工程采用SATWE軟件作為主算程序， 用YJK作為輔算程序。 以北樓為例， 在兩個軟件中的不同計算結果見表1 ～表3。

表1 SATWE與YJK計算結構周期表

表2 SATWE與YJK結構位移信息

表3 SATWE與YJK結構剪重比信息

綜合兩個軟件計算的前3 個周期可以看出， 結構第1 ～3 振型均較為簡單， 基本是平動或扭轉為主。扭轉周期Tt與第一周期T1 之比為0.88， 兩個軟件計算周期誤差在2.8%左右。 根據《高層建筑鋼筋混凝土結構技術規程》， 樓層層間最大位移與層高之比限值為1/800。 多遇地震作用下樓層最大位移角1/1733， 為Y向地震荷載作用下， 滿足規范要求。 兩種軟件計算的最大層間位移實際發生在相近的樓層處。本結構X向基本周期為0.9846s， 為1.6%； Y向基本周期為1.2171s， 取限值為1.6%， 地震作用下樓層剪重比及調整系數如表3 所示， X、 Y向底層剪重比大于規范要求， 兩個軟件計算結果相近。

4.2 彈性時程分析

本項目采用YJK進行小震下的彈性時程分析， 作為反應譜法計算的校核， 保證結構安全可靠。 地震波采用YJK數據庫提供的5 組天然波及2 組人工波。 圖3 給出了7 組時程波的平均影響系數的曲線走勢和反應譜法所用影響系數曲線走勢， 由對比可見滿足規范要求的結構主振型的周期點上的誤差值在20%以內。

圖3 規范譜與地震波平均譜對比圖

表4 給出了兩種計算方法下的底部剪力值結果。結果表明： 所選取的時程曲線下結構底部剪力和平均值均滿足規范要求。

表4 時程分析與CQC基底剪力比較

4.3 動力彈塑性分析

項目采用YJK-EP進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析計算， 參考前述的小震彈性時程分析結果，選用1 條人工波， 2 條地震波， 對結構進行雙向的地震輸入， 分別進行x、 y方向的分析。 其中北樓時程分析結果如下。

罕遇地震分析后， 重要抗震構件及豎向構件沒有發生相當嚴重的破壞， 結構豎立不倒， 相當數量的連梁在地震力作用下進入屈服耗能狀態， 有一定數量的框架梁參與塑性耗能； 地震輸入結束時， 底部加強區以上局部墻體中等或輕微損傷， 底部加強區局部墻體部分中等損傷， 未出現單個剪力墻全截面均進入屈服狀態的情況， 滿足關鍵構件大震抗剪不屈服的要求；整體的結構樓層位移角可以滿足抗震目標要求， 總體而言， 結構在罕遇地震輸入下具有較高的承載力和較好的延性， 能滿足“大震不倒” 的要求。

同時分析結果顯示， 本樓底層剪力墻大震作用下應力大， 采取加強處理措施， 提高重要部位抗震等級， 增加配筋。 連體連接部位受力復雜， 采取提高連接部位墻柱抗震等級， 設置型鋼柱等加強措施。

5 結構設計

5.1 連體加強措施

根據結構計算分析， 設計時對南、 北樓連體結構采取了針對性加強設計措施， 具體如下： 1） 連體部分樓板厚度取150 mm， 鋼筋雙層雙向拉通， 直徑不小于10mm， 間距不小于100mm； 2） 連體桁架所在樓層以及上下各延伸一層與連體桁架相連的柱按型鋼混凝土柱采用。 連體桁架的鋼梁向兩側主體結構內伸入一跨； 3） 與連體桁架相連的剪力墻在連體桁架所在樓層以及上下各延伸一層均設置約束邊緣構件， 且相連的剪力墻抗震等級均提高一級； 4） 連體桁架首層底部和頂層頂部在平面內設置交叉鋼支撐， 目的為增大連體桁架平面內剛度。

5.2 支座設計

東、 西樓采用滑動支座的方式與主體形成連接。滑動支座設置在兩側結構伸出的牛腿上。 考慮到本項目連廊自身層數較多， 自重較大， 支座的豎向承載能力為支座選取的主要考慮因素。 經過對一些支座產品的對比， 在相同豎向承載力下， 球型鋼支座的截面較其他類型支座更小， 豎向承載能力更好。 故連廊與主樓采用球型鋼支座連接。 支座設計時， 采用以鋼桁架底層一側為鉸接支座， 另一側為全滑動支座的形式；其余樓層， 均為全滑動支座。 桁架每層都做連接節點， 將豎向力均勻施加在各樓層， 減小支座的豎向承載力需求。

除了豎向承載力以外， 支座的另一重要參數即為支座的行程。 作為采用支座設計的弱連接連體結構，設計時希望能夠在水平作用下， 連接體兩側主體結構相互脫離， 相互之間能夠產生獨立的位移， 互不影響， 降低結構的復雜性。 因此設置滿足變形要求的支座行程， 就是實現上述目標的手段。 計算支座行程時， 結合理論公式， 通過小震計算的位移結果， 結合大小震作用的關系比值， 并適當考慮剛度退化影響系數， 初算出一個預估值， 建議采用罕遇地震下動力彈塑性分析結果， 得出更為精確的單體變形值。 本項目最終取支座行程即變形縫寬度為300mm， 并以此作為支座及牛腿尺寸設計的依據。

對于弱連接連體結構， 支座作為鋼桁架和主體結構的連接， 支座自身的安全性等級應高于連接體。 支座不發生破壞也是連體結構不發生安全隱患的基礎。在設計時滑動支座僅承擔豎向荷載， 并設置了足夠的行程作為桁架自由滑移量， 基本確保了滑動支座不影響連接體的平動和轉動。 但是為保證連體結構在極端情況下的的安全， 例如主樓的位移變形超過抗震縫寬， 球型滑動支座的位移值超過限值。 對于此情況下設計時將連體結構和兩側主樓整體建模計算， 連體結構與主體結構之間連接均簡化按照鉸接考慮， 并按照大震不屈服復核連體部分鋼結構應力和主樓支座處豎向抗震構件， 以保證連體結構支座的處抗震性能優于主樓其他區域， 避免連體結構成為抗震薄弱部位。 因此在設計時， 支撐牛腿、 支座的框架柱內均采用型鋼混凝土以提高安全性能。

6 結語

北航合肥科學城創新研究院主樓為復雜超限高層， 存在大跨連體桁架等復雜情況， 且連體形式既有與主體結構剛接的強連接連體， 也有與主體結構采用支座形式連接的弱連接連體。 設計中根據計算分析對相應部位進行采取加強措施， 針對支座設計也考慮結構自身的特點， 總體而言， 本項目結構設計比較合理， 可保證本項目結構的安全性。