某超限高層連體辦公樓結構設計探析

楊志榮 曹坤 王薇

（南京金宸建筑設計有限公司，江蘇南京 210000）

超限高層的高度和層數并沒有明確的規定，需視建筑的實際結構而定，例如，混凝土框架剪力墻結構的高層建筑，一旦超過120m，即可判定為超限高層，而對于有錯層的高層建筑，一般超過80m即可判定為超限高層。但無論是何種結構的超限高層，由于建筑本身很高，必須通過高質量的工程技術保證建筑的安全，尤其在抗震性能方面需格外注意。

1 工程概況

為研究超限高層樓房的結構設計，本文以某超限高層辦公樓（下文簡稱A高層）為例，A高層地上分為兩棟塔樓，兩棟樓呈鏡像布置，同時，兩棟樓的第15層至第18層通過三層鋼結構連接體連接，兩棟樓層數均為21層，樓高度為97.75m，主要層高為4.2m及4.4m，并且A高層包括2層地下室，地下室作為A高層的車庫。A高層立剖面如圖1所示。

圖1 A高層立剖面

2 結構布置和地基基礎分析

2.1 結構布置分析

A高層的結構布置包括主要豎向構件布置、梁系布置、連接體布置。豎向構件主要指柱、墻，在豎向構件布置時，需保證構件位置設置的合理性，A高層的主要豎向構件布置情況如下：第一，外圍采用截面為1000mm×4000mm的框架柱，由下至上框架柱的布置逐漸減少，同時，下部樓層和連體樓層（15層至18層的連接通道）的框架柱內加設型鋼，進一步加固框架柱；第二，將中間的剪力墻圍合成桶狀，并在下部樓層的剪力墻中設置型鋼，型鋼的位置設置根據剪力墻的受力情況而定；第三，為提高A高層整體的抗扭性能，減輕建筑受應力和外力變化的變形程度，在整體的豎向構件布置中，可加強兩側豎向構件的布置，從而間接削弱中部的受力[1]。在A高層的梁系布置中，采用的是可與框架柱相連的Y向框架梁和X向框架梁，其中，Y向框架梁規格為600mm×800mm，X向框架梁規格為600mm×1000mm，同時，梁高一般需控制在600mm以內，從而控制剛心偏置的問題。在A高層的連接體布置中，其難點在于兩棟樓連體結構的結構選型，由于連體結構位于空中，如果采用弱連接，則可能不利于建筑抗震能力的發揮，同時，考慮到A高層的兩棟樓之間鏡像對稱，在受力時，變形也比較均勻，因此，決定采取強連接設計。基于此，給出連體底層普通模桁架、疊層空腹桁架和疊層混合空腹桁架三種型式的鋼桁架結構型，結合工程的實際情況，最終決定選擇疊層混合空腹桁架；根據最終選擇的布置方案，利用4層弦桿、2排豎腹桿、2排斜腹桿組成疊層混合空腹桁架，桿件的規格為35mm×35mm的方鋼管和900mm×700mm×20mm×50mm的H型鋼；此外，連體結構的樓板采用鋼筋桁架樓承板，底層板、中層板、頂層板的厚度依次為180mm、150mm、180mm。

2.2 地基基礎分析

地基作為建筑物下支承基礎的土體、巖體，對保證建筑物的堅固耐久性有著重要的作用，必須具備足夠的承載力，能承受適當的壓力，并且需控制地基的沉降量在一定范圍內，從而間接控制建筑物上部的開裂變形，同時，地基還應有防止建筑物傾覆、失穩的能力?；诖?，結合A高層上部建筑物的荷載情況，充分考慮施工地的水文地質條件，在地基基礎中選擇PHC預應力管樁，并確定灰色黏土層作為樁端持力層[2]。同時，考慮到A高層上部建筑包含兩棟樓之間的連體結構，而剛性連接的連體結構對沉降差異十分敏感，為保證連體結構的穩定性和安全性，根據我國《建筑地基基礎設計規范》(GBJ7-89)，控制樁基中心計算沉降量在70mm以內，并且建筑傾斜不大于0.004mm。

3 結構設計

A高層的結構設計使用盈建科（YJK）建筑結構設計軟件，并利用Midas公司的Midas Building設計軟件校對核驗分析結果。表1為結構補充進行時程分析及性能設計。

表1 項目分析及步驟

3.1 結構計算考慮的問題

結構計算需考慮的問題包括多塔及風荷載，以及施工順序。在對多塔及風荷載進行整體計算時，采取分塊剛性模型（如圖2所示），分塊情況如下：使兩棟樓的第2層、15～18層為一個剛性塊，第1層、第3～14層、第19～21層為一個剛性塊。同時，結合風力的影響，再將風荷載體型系數乘以1.15（增大系數）[3]。施工順序需考慮的影響因素有兩棟樓塔樓的差異沉降帶來的影響，由于A高層所處的工程地土壤主要為軟土，因此，在施工順序設計中，首先應將兩棟樓塔樓的主體結構封頂，之后再進行連體結構的吊裝和施工。

圖2 A高層建筑分塊剛性模型

3.2 抗震超限情況及措施

由于工程本身存在著較多不規則情況，根據此類問題，應采取科學合理的解決措施，A高層的各項抗震超限問題及解決措施如下：第一，結構連體問題。提高與連接體相關的結構構件的抗震等級，并進行相應的性能設計，以保證結構連體的穩定性與安全性，同時，需加強連體樓板設計，使其能在中等以下的地震中均能保持一個相對安全、穩定的狀態；第二，剛度及受剪承載力突變。在計算剛度突變及受剪承載力突變的樓層地震作用剪力時，根據突變的影響，將其再乘以1.25的放大系數[4]；第三，樓板不連續。加強底層樓層設計，并加強大堂、中庭上空開洞的洞口周邊梁配筋；第四，底部加強區。進行性能化優化設計，按照中級地震的程度進行設計；第五，結構連體風力互相干擾。通過模型定義多塔分析連體結構立面開洞對迎風面的影響，并將A高層兩棟建筑的體型系數各乘以相互干擾增大系數，最后對數據進行計算分析；第六，差異沉降對連體的影響。優化施工順序，先進行塔樓主體結構的封頂，再進行連體結構的吊裝和施工。

3.3 結構分析主要設計結果

3.3.1小震CQC彈性分析

經過對小震CQC彈性分析，計算結果表明A高層的各項指標均符合相關規范和要求，計算信息見表2。

表2 YJK和MIDAS結構周期對比

其中，整體模型的第一扭轉周期和第一平動周期之比為0.85左右，符合相關規范要求，這表明A高層的連體結構有良好的抗扭強度，可以抵抗一定程度的扭轉。并且，由于連體結構采用了剛性連接，這使得A高層的兩棟樓的振型可基本對稱，因此，結構相對也比較穩定。但根據對各樓層剛度和受剪承載力的分析，結構底層和連體部分的變化比較大，基于此，為保證A建筑各樓層的剛度和承載力符合要求，可采取將地震作用剪力放大1.25倍的方式，對相應樓層部分進行加強設計[5]。

3.3.2中震下構件性能分析

采取振型分解反應譜法對中震下構件性能進行分析，首先，對底部加強部位的豎向構件進行復核，復核內容為中震抗剪彈性及抗彎不屈服情況，為滿足復核內容要求，后續可提高剪力墻豎向分布配筋率，并在剪力墻的部分位置增設型鋼，從而增強剪力墻性能；之后，對連接體節點進行應力分析，結合整體模型第一扭轉周期與第一平動周期的比，構件應力比應不超過0.85，同時，考慮到樓板開裂的情況，忽略樓板厚度，按0mm計算，基于此，建立有限元分析模型進行連接體節點應力分析[6]；最后，對連接體桁架斜桿上的節點按中等級地震進行彈性分析，分析的節點為全鋼節點和鋼與鋼筋混凝土組合節點，計算需結合鋼結構材料的非線性與幾何非線性特征。

3.3.3連接體部位補充分析

連接體部位補充分析內容包括豎向地震作用分析、樓板應力分析、樓板舒適度分析。①豎向地震作用分析：由于A高層為超限高層，包含約為29m跨度（規范跨度24m）的局部連體結構，因此，需對連體結構進行豎向地震作用驗算；②樓板應力分析：由于連接體樓板和其相鄰的塔樓樓板的受力比較復雜，因此，在進行整體模型計算時，將此兩種樓板定義為彈性樓板，之后進行有限元應力分析[7]；③樓板舒適度分析：首先需結合A高層的用途，其本身作為辦公樓使用，因此，連接體部分的主要用途是辦公室，基于此，采用施工安全計算軟件（PKPM）分析其樓板舒適度。

4 結語

通過以上分析得出，A高層為雙塔高位連體高層結構，其結構設計內容如下：第一，兩棟樓的連體部分采取鋼結構以強連接的方式進行連接，型式采取疊層混合空腹桁架；第二，使用YJK和Midas Building軟件進行計算分析，計算分析內容包括小震、中震和大震分析，以及風荷載彈性分析和連體結構分析。根據A高層的結構分析與設計可知，在超限高層建筑辦公樓的結構設計中，應采取合理的結構布置，根據建筑的受力情況，對結構相對薄弱的位置進行加固，并結合相應的施工技術手段進行性能化設計，例如在連體部分采用合適的桁架型式，同時，應大量應用抗壓力強、堅固的建筑材料，從而使建筑整體能獲得更好的抗震能力。