某連體高層結構抗震設計

沈海洋

（上海市地下空間設計研究總院有限公司，上海 200125）

0 引言

高層連體結構是一種復雜的結構體系。連接體作為其中的關鍵部分，抗震設計和分析是重中之重。連接體的結構形式有強連接、弱連接、鉸接連接等多種形式。吳宏磊等[1]針對典型工程案例，從結構整體受力、變形以及連接體的受力變形等方面，對連接體的選型與設計進行了剖析，總結了不同連接形式的受力特點、適用情況和設計原則。劉光爽[2]以實際工程為研究對象，對一個非對稱雙塔連體結構的連接體方案（空腹桁架）及抗震性能進行研究，研究經過合理的設計與加強，本工程的非對稱連體結構能達到預定的抗震性能目標。張一舟、劉彥生等[3]以一個四塔高位連體實際工程為例，從整體結構布置，連接體設計，連接體與塔樓連接的復雜節點設計，抗震性能化設計，結構全生命周期分析等多方面總結復雜多塔連體高層結構設計的技術難點和設計對策。李家佳等[4]以南京涵碧樓酒店南北塔樓頂部間連通的跨空中鋼連廊為例，分析了鋼連廊的減振設計，通過該減振結構的設計，施工和后期調試，為類似結構提供了經驗。

本文在研究空腹桁架連接體受力形式的基礎上，連接體采用了鋼拉桿體系的結構形式，傳力明確，連接可靠，對建筑立面影響較小。經分析表明，該連體結構的抗震性能可以滿足規范要求及設立的抗震性能目標。

1 工程概況

GZ137地塊A區塊（建工科技園）項目位于揚州市廣陵區，基地位于文昌東路北側，臨灣路東側，迎賓路南側。本工程地上由高層辦公（15層/17層/23層）、多層商業（2層/4層/5層）組成，地下為兩層地下車庫。總建筑面積約249 169.9m2，其中地上148 804.1m2，地下100 365.8m2。其中A2#樓、A3#樓建筑平面布置為東西兩個塔樓，建筑高度為99.6m，單塔東西方向尺寸為44.5m，南北方向尺寸為35.9m。地上23層，1～2層層高5.2m，3～20層層高4.2m，21層～23層層高4.5m，出屋面樓梯間層高為3.0m。東西兩個塔樓在下部均無連接，在二十二層至屋面層通過兩層通高的鋼連廊進行剛性連接。連廊跨度43.7m，高度9m，寬10.9m。本工程連體位置較高，跨度較大，東西兩側塔樓為鋼筋混凝土框架－核心筒結構，連體為鋼結構。本工程局部樓層扭轉位移比大于1. 2；2層、3層開洞面積大于30%；故本工程為超限結構，并于2020年9月30日順利通過了江蘇省超限專家評審。

本工程抗震設防類別為丙類（底層商業為乙類），設防烈度為7度，基本地震加速度為0.15g，設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅲ類。根據揚州市住建局提供的安評報告[5]，本工程場地設計特征周期：小震及中震為0.55s，大震為0.60s（規范）；水平地震影響系數最大值：小震為0.163，中震為0.435，大震為0.720（規范）。工程所在地區基本風壓為0.40kN/m2（50年一遇），地面粗糙度為B類；遇基本雪壓0.35kN/m2（50年一遇）。

2 結構體系

2.1 抗側力體系

結合建筑平面功能及布置，東西塔樓采用鋼筋混凝土框架－核心筒結構體系，鋼筋混凝土筒體作為主要抗側力結構體系，外框架作為抗震第二道防線。底層商業部分：框架抗震等級為一級，核心筒抗震等級為一級；其余樓層部分：框架抗震等級為二級，核心筒抗震等級為二級；連接體及與其相連的結構構件在連接體高度范圍及其下一層抗震等級為一級。塔樓核心部分為鋼筋混凝土內筒剪力墻，內筒平面尺寸約為24.2m×12.2m（內筒寬高比1/8＞1/12）；塔樓外圍為框架結構，平面尺寸44.5m×35.9m（高寬比2.65＜7）；外框架柱距核心筒距離約為10～12m，外框架環向柱距約為8.4m。

框架柱截面尺寸自下往上由1000mm×1450mm漸變為750mm×750mm，混凝土強度等級為C60～C30。環向框架梁梁高1 200mm。核心筒周邊剪力墻墻厚為550～350mm（一層及二層層高為5.2m），核心筒內剪力墻厚度為300mm，混凝土強度等級C60～C30變化。為了加強混凝土核心筒的延性，降低核心筒剪力墻軸壓比，并且降低底部筒體中震下拉應力水平，在筒體的四角及中震下拉應力較大的墻肢兩側設置型鋼柱。

2.2 樓、屋蓋體系

樓面采用現澆鋼筋混凝土樓板，板厚120mm。核心筒內部、二、三層、連橋及相鄰板厚為150mm。塔樓標準層高為4.2m。徑向梁高700～800mm。

2.3 連體體系

A2#、A3#在二十二至屋面層通過兩層通高的鋼連廊進行剛性連接。連廊跨度43.7m，高度9m，鋼連廊兩側分別設置了Φ180的雙拉桿，也有利于防連續倒塌，強度等級為Q550C，連廊上下弦拉桿截面H1000mm×500mm×20mm×30mm，拉桿與下弦拉結節點設置H600mm×500mm×20mm×30mm的鋼柱支撐上弦，上下弦分別間隔2.6m設置H600mm×300mm×20mm×24mm鋼梁支撐樓板，并設置Φ200×24的水平支撐。拉桿上節點與主體框架梁柱可靠連接，并通過向內延伸的框架梁（內設H600×300×30×30型鋼）與核心筒相連并貫通核心筒，核心筒南北剪力墻內設置各4道型鋼柱并下沿兩層，核心筒范圍設置邊框梁（內設H600×250×30×30），確保拉力在樓層平面內平穩消散，相關主體關鍵構件均采用型鋼混凝土構件，型鋼強度均為Q355B。連橋板厚150mm，配筋雙層雙向不小于0.25%。

3 結構整體計算分析

基于本工程的重要性和復雜性，整體結構抗震設防性能目標擬接近《高層建筑混凝土結構規程》[6]規定的 “性能目標D”，具體內容如表1所示。

表1 構件抗震性能目標

3.1 主要參數

塔樓結構整體計算分析采用YJK、PMSAP兩種程序。結構阻尼比為0.05，考慮雙向地震作用，偶然偏心為0.05，振型質量參與系數≥90%。整體指標計算時采用剛性樓板假定；內力計算時樓板開大洞處、連體及相關范圍內樓板均按彈性膜假定計算。

3.2 主要計算結果

采用前述兩種計算程序進行計算分析，計算結果如表2所示。計算結果表明：兩種程序計算的結構動力特性接近，周期比滿足規范要求。

表2 主要計算結果

3.3 彈性時程分析

根據《抗震規范》[7]第5.1.2條及《高層建筑混凝土結構規程》第4.3.4條的要求，應采用彈性時程分析法進行補充計算。時程分析按建筑場地類別和設計地震分組選用二組人工模擬的加速度時程曲線和五組實際強震記錄（各條波的動參數略）。所選七條時程波的加速度曲線與地震影響系數曲線吻合程度較好，其平均加速度曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。基底剪力計算結果表明：彈性時程分析法補充計算結果與振型分解反應譜法計算結果基本一致，滿足規范要求。

3.4 動力彈塑性時程分析

考慮到工程的重要性和復雜性，采用SAUSAGE（Seismic Analysis Usage）軟件進行動力彈塑性時程分。地震波采用兩組天然波和一組人工波，均采用雙向地震輸入，各方向加速度峰值比例為1.00:0.85。時程分析時輸入地震加速度的最大值，取值為310.0cm/s2（規范數據）。計算結果表明：（1）在完成罕遇地震彈塑性分析后，結構仍保持直立，3組波平均最大樓層位移角滿足小于1/100的要求。結構整體性能滿足“大震不倒”的設防水準要求。（2）連梁損傷明顯，抗壓、抗拉強度退化明顯。罕遇地震作用下連梁起到了一道防線耗能作用。（3）除核心筒底層局部墻肢受壓損傷嚴重外，在罕遇地震作用下，核心筒剪力墻的工作性能良好。（4）此工程在7度罕遇地震作用下整體受力性能良好。

4 連體結構計算分析

4.1 鋼連橋-鋼拉桿細化分析計算

鋼連廊兩側分別設置了Φ180的雙拉桿，有利于防連續倒塌，強度等級為Q550C。拉桿采用O-O型，兩側為單板。節點板采用雙耳板，板厚60mm，節點板通過銷軸系統與拉桿連接。

根據計算分析，各工況下拉桿內力如表3所示。（豎向地震力括號內為恒活占比統計）

表3 拉桿力表

4.1.1 鋼拉桿分析（性能目標：中震及大震彈性）

拉桿在小震情況下應滿足：

Rd、γRE分別為構件承載力設計值和承載力抗震調整系數；

SGE—重力荷載代表值的效應；γG—重力荷載分項系數；γEH—水平地震作用分項系數；γEV—豎向地震作用分項系數；SEhk—水平地震作用標準值的效應，尚應乘以相應的增大系數、調整系數；SEvk—豎向地震作用標準值的效應，尚應乘以相應的增大系數、調整系數；γw—風荷載分項系數；Ψw—風荷載的組合值系數，應取0.2。

拉桿在中震及大震情況下應滿足：

拉桿采用180直徑Q550型實心鋼拉桿，強度標準值取550N/mm2，設計值取550/1.7=324N/mm2

將小震下拉力代入式（1）可得：

1.2×4508+0.6×704+0.33×50+0.5×498+1.3×793

=7 128.4kN≤16 481.1kN

拉桿在小震下應力比為：7 128.4/16481.1=0.43

同理，將中震、大震下拉力代入式（2），拉桿應力比為0.56及0.70。

由上述計算結果表明，拉桿能夠滿足中震及大震彈性的設計要求。

4.1.2 鋼拉桿節點（性能目標：中震及大震彈性）

鋼拉桿端部通過耳板、銷栓系統與梁柱鋼骨連接，耳板、銷栓及與鋼骨的連接設計在施工圖階段深化，確保節點性能目標不低于拉桿本身，并保證中震及大震彈性。

拉桿節點如圖1、2所示。

圖1 拉桿下節點(mm)

圖2 拉桿上節點(mm)

拉桿節點用ANSYS通用有限元軟件分別進行了小震、中震、大震下的應力分析。以上節點為例，通過分析表明，滿足小震彈性、中震彈性要求、大震彈性要求。

4.2 連體樓板受剪計算

按《高層混凝土結構技術規程》10.5.7條要求，剛性連接的連接體樓板應進行受剪截面和承載力驗算。

按《高規》10.2.24條所述公式進行計算，其中bf取連廊樓板寬度11.5m，tf取樓板厚度。

Vf取連體一側塔樓樓層處所受剪力（小震）9 326kN，由此看出，為了滿足連體樓板的抗剪要求，需設置板間水平支撐抗剪。如前所述，連接體樓板處均設置了交叉水平支撐，Φ200×24，Q355B。

V11（混凝土部分）=2 902kN

V12（水平支撐所能承擔的剪力）V==7 008kN

水平支撐和樓板所能承擔的剪力V=7 008+2 902=9 910kN ＞Vf，滿足。

V2=5 104kN

綜上所述，連體樓板受剪滿足規范要求。

5 結論

綜上所述，可以得到以下結論：

（1）鋼拉桿體系的連接體傳力明確，抗震性能良好。

（2）連體樓板作為連體結構的重要構件，采取水平支撐等加強措施保證了樓板的安全性。

（3）經過多程序對比分析，本連體高層結構抗震性能滿足規范要求。