高層建筑連接連體滑動結構優化設計研究

王新震

（濟南市城鄉建設發展服務中心）

在建筑規模持續擴大、結構日漸復雜的背景下，建設了大量的連體高層建筑。而在強烈地震作用下，建筑連接體容易發生嚴重破壞，所以要求加強連接結構抗震設計，確保建筑在經歷罕遇地震時不會發生斷裂等嚴重災害。在建筑連接體設計實踐中，采用滑動連接方式具有一定特殊性，需要同時滿足多重要求，因此應加強滑動連接結構設計研究，保證設計出的建筑具有良好的抗震性，能夠保障人民生命財產安全。

1 建筑滑動連接結構設計要求

在高層連體建筑中，設計的連接結構主要包含兩類，即剛性連接和滑動連接，前者多用于連接體結構和塔樓結構，要求主要構件至少達到塔樓一跨位置，并做到可靠連接。在剛性連接結構能夠與塔樓內部結構形成整體的情況下，擁有較高豎向承載力，僅需承受一側水平荷載，獲得良好水平抗側剛度和抗剪承載力。但與此同時，容易導致主體結構內部形成薄弱層，給結構整體扭轉控制帶來不利影響。相比較而言，滑動連接結構不參與主體結構抗側，擁有清晰的受力、傳力路徑，有助于加強建筑的抗震設計。從滑動結構受力來看，將同時承受兩側主體的水平荷載，在地震作用下需協調兩側結構變形，因此應達到較高結構強度要求。

2 建筑滑動連接結構設計方法

2.1 工程概況

某現代化商業-辦公綜合體建筑集商業、辦公功能為一體，總面積約8.5 萬m2，包含南、北兩棟塔樓，呈相對而立的狀態。建筑地上部分約7.4 萬m2，高67m，包含16層，1～3層為商業建筑，層高5m，其他層為辦公建筑，層高4m，地下部分約1.1 萬m2，僅1 層，建設地下車庫和人防工程，層高6m。兩棟塔樓1～3 層建設公共大平臺和裙房，連接成一體，通過擴大建筑底盤提高結構抗震性。建筑13 層建設跨長29m～31m 的鋼連廊，寬在9m～15m 之間。建筑主體采用框架剪力墻結構，圖1 為平面布置圖，兩棟塔樓保持對角分布狀態，上部結構呈“回”字形，導致振型復雜。由于上、下部位均設計連接結構，導致建筑結構帶有不規則性，容易導致塔樓整體剛度減小。通過鋼連廊連接角部，造成結構整體剛心發生偏移，難以通過剛性連接體協調兩棟塔樓。在掌握塔樓結構特點的基礎上，分析可知南、北側塔樓之間存在動力特性差異，采用剛性連接結構將增加結構在地震作用下的扭轉效應。在綜合考慮的基礎上，決定采用滑動連接結構實現塔樓連接設計，通過編制科學結構設計方案改善建筑抗震性。

圖1 工程平面布置(單位：mm)

2.2 整體結構抗震性分析

在設計滑動連接結構時，需要加強建筑整體抗震性分析，確保更好地把握連接體動力特性，為優化結構設計提供科學依據。在設計實踐中，可知建筑需達到7 度抗震設防烈度，地震加速度為0.1g，小震和中震的結構阻尼比為0.05，大震的結構阻尼比為0.07。采用MIDASGen 三維有限元分析軟件建模，可知建筑主體框架柱截面有900×1000、800×900 等規格，設計鋼連廊框架柱內部設置十字形鋼，結構混凝土強度在C35～C50之間，鋼連廊采用H 型鋼實腹鋼桁架。在輸入相關參數后，通過反應譜法對結構振型進行分解，完成雙塔振型周期比較，能夠確定前兩階擁有接近的振型周期，T 在1.9s～2.1s 之間，所以采用滑動結構不會給主體結構水平動力特性帶來過大影響。從結構扭轉振型發生情況來看，南側的塔樓率先在第三周期出現扭轉，T 為1.7s，整體振型周期為1.8s，隨后整體出現扭轉，T 為1.4s，南側塔樓振型周期為0.6s。由此可見，滑動結構將給結構扭轉性帶來影響，在結構和兩側塔樓結構發生不同程度變形的情況下，將導致建筑整體性下降。

利用模型對塔樓動力特性展開分析，可知樓層最大彈塑性位移角=位移放大系數×反應譜法，求得最大小震彈性位移角，位移放大系數=罕遇地震作用下最大彈塑性層間位移角/多遇地震作用下最大彈性層間位移角。按照建筑抗震設計規定輸入2條天然波和1條人工波，完成地震波加速譜比較，可知在兩個X和Y方向地震加速度比達到1:0.85:0.65 的情況下，主方向峰值達到35cm/s2。如表1 所示，為塔樓結構在地震作用下樓層剪力分析結果。從結果來看，同時承受三條地震波作用，將造成底部剪力比反應譜法80%要大，每條波作用下的剪力比反應譜法的60%要大，能夠達到設計要求。通過彈性時程分析，能夠得到X 方向上的層間最大位移角為1/886，Y 方向位移角最大達到1/859，因此結構整體剛度符合要求。從總體上來看，僅建筑2～3 層存在不均勻的豎向剛度變化，其他層別不存在剛度薄弱層。分析原因可知，建筑采用剪力墻結構，能夠起到減小結構偏心的作用，使建筑扭轉得到有效控制。

表1 多遇地震下結構最大基底剪力有限元分析結果

對塔樓結構的彈塑性時程展開分析，可知在采用滑動連接結構時，在罕遇地震條件下，可以利用纖維素模型分析結構受力情況，通過實現多層鋼筋疊加布置，能夠實現桿件彎矩和軸力耦合，并通過混凝土損傷屬性模型分析梁柱、樓板等結構的應變效應。從分析結果來看，結構X 方向的最大基底剪力能夠達到131484kN，剪重比最大為11.03%，Y 方向最大剪力為163418kN，剪重比為13.71%。相較于多遇地震，在罕遇地震條件下，X和Y 方向的最大剪重比明顯增加，說明結構塑性弱，將發生一般的剛度損傷，總體抗震性依然能達到設計要求。從結構層間位移情況來看，X 方向最大位移角達到1/160，Y 方向為1/139，能夠達到1/100 的結構變化要求。

2.3 滑動連接結構設計分析

2.3.1連接結構受力

通過有限元分析驗證采用滑動連接結構能夠協調兩側塔樓，滿足結構抗震設計要求后，需做到合理設計連接體。設計的鋼連廊包含上、下兩榀鋼桁架，通過上、下弦桿將框架拆分為二，完成特殊節點設計，確保二者可以實現相對滑動。采取該結構，能夠在保留桁架豎向剛度的同時，產生抗側剛度，同時獲得豎向承載和水平抗側功能。但在結構承受上層荷載的情況下，將導致滑動面承受較大壓力，應確保弦桿和混凝土梁之間保持可靠的滑動連接關系，避免出現卡軌情況。受罕遇地震作用，建筑樓板可能發生開裂，導致上弦桿難以通過上層結構獲得側向支撐，因此需要使受壓上弦桿和鋼桁架樓層板合二為一，形成成型桿件，并在下層混凝土梁中開槽，放置下弦桿，消除剛性連接可能出現薄弱層的問題。考慮到下層混凝土梁擁有較大跨度，需要在下弦桿位置設置豎向受力托板，減小結構內力的產生。托板只承受樓面局部荷載，承受壓力較小，可以有效處理水平的抗側剛度，避免連接體位置產生過強抗側剛度，因此能夠更好地釋放地震作用下的結構軸力。

采用下弦桿滑動連接構造，需要使下弦桿、鋼腹板分別與下層樓面梁板間預留50mm 縫隙，防止在罕遇地震條件下滑動結構和混凝土沿著水平方向相互接觸乃至發生碰撞。通過在下弦桿底部位置布置托板，可以為結構梁提供一定支撐力，減小結構受力，能夠通過縮小結構梁截面改善外立面線型。在托板和混凝土的接觸面之間，容易發生摩擦，給滑動連接結構受力帶來影響。分析可知，滑動基礎面將承受上層荷載，變化不大，需通過減小摩擦系數控制摩擦力的產生。因此采用的連接支座可以使用聚四氟乙烯滑板構造，材質為高分子，中間設置不銹鋼板，并在滑板上涂抹硅脂。為保證結構強度良好，應確認板抗壓強度至少達到20MPa。通過合理選材，能夠使結構和不銹鋼板摩擦系數不超0.01，產生的摩擦力僅為豎向荷載的1/100，因此可以直接忽略。從托板受力情況來看，一旦結構失效將直接造成樓蓋坍塌，所以應加強結構受力分析。而托板受力接近于懸臂板，在承受下層樓面荷載的過程中，應力集中在下弦桿端部位置，但與核心受力區保持較遠的距離，不會產生相互影響。由此可見，在托板設計上，僅需通過合理設置結構厚度和材質強度，即可保證結構提供足夠支撐力，為滑動結構設計提供安全保障。

2.3.2滑動結構設計

在設計實踐中，桁架選用Q355 低合金鋼，上、下弦桿截面為H700×400×30×30，設計腹桿截面為H500×400×30×30，次梁截面為H500×250×16×20，托板厚達到150mm。在塔樓和連接體之間，保持9m 寬度，在塔樓和連廊的型鋼柱外設置外伸牛腿，采取滑動連接方式。在牛腿和框架柱內部，應完成型鋼設置，并完成箍筋高加密，有效提高結構抗震性能。此外，需在連廊和南側塔樓間設置剛性支座，采取鉸接方式連接，與北側塔樓間設置滑動支座。具體來講，就是在鋼連廊兩端設置QZ 球形鋼支座，在垂直方向安裝加寬支座牛腿，確保位移空間足夠，如圖2 所示。在連廊和兩側塔樓之間，為防止支座墜落，需要設置JA 彈簧支座，并確保端部和邊梁間縫隙大于位移限值，防止滑動結構移動時與二者發生碰撞，保證結構安全性。采用有限元軟件對桁架內力展開分析，能夠得到弦桿最大應力小于0.65，腹桿最大應力小于0.75，桁架豎向變形最大可以達到19.3mm，不超1/400 的撓度限值。建立模型對各滑動支座受力情況展開分析，可知下弦支座承受豎向荷載較大，能夠達到1500kN，上弦支座承受力較小，僅為450kN，符合滑動連接結構設計原理，驗證了結構設計思路的可靠性。

圖2 滑動支座結構(mm)

在確定滑動連接支座位移量時，需要建立構造模型，并輸入TH005TG0 波完成彈塑性時程分析，確定結構最強烈地震響應下產生的結構位移量。在分析過程中，需要將支座點在X 和Y 方向上的位移矢量值疊加，確定最大的結構位移量。從分析結果來看，在罕遇地震作用下，下弦支座在X方向的最大位移量為299m，Y方向最大位移量為206mm，因此需要將控制位移限值分別設定為300mm和210mm。從上弦支座位移量變化情況來看，X方向最大位移量為321mm，Y 方向為209mm，因此需要將控制限值分別設定為330mm和210mm。考慮到遭遇超強地震支座依然可能發生破壞，在安裝位置較高的情況下，一旦掉落將引發嚴重次生災害，因此需在鋼連廊兩端布置防墜落線。針對每個滑動支座，應設置一組鋼絞線，一端連接塔樓鋼架柱預埋件，一端和鋼腹板預留口連接，做到將線繃緊，確保每根線可承受1.1 倍連廊重量。建立有限元模型完成連接體結構驗算，可知在罕遇地震和恒載作用下，滑動支座并未出現拔力，可以保持良好穩定性，能夠滿足設計要求。

2.3.3連接體舒適度分析

采用滑動結構的連接體，除了達到強度、變形等設計要求，同時需要保證結構使用舒適度。根據整體模型振型周期分析情況可知，一階模態振型發生在塔樓的樓蓋位置，達到6.3Hz 和7.2Hz 的自振頻率。分析原因可知，與塔樓上部呈“回”字形有關，導致平面結構出現了剛度下降問題。而從鋼連廊的自振頻率分析結果來看，在高階模態發生了結構自振情況，振頻分別為6.9Hz 和8.0Hz。根據高層建筑設計要求，建筑各部分結構自振頻率至少應達到3.5Hz，因此連接體設計符合要求。在連接體擁有較大跨度的情況下，需要考慮豎向地震作用。通過分解振型，采用反應譜法展開分析，需按照建筑結構荷載規范要求進行風荷載取值，并確定圍護結構體型系數。在多遇地震作用下，需要同時考慮風荷載和地震組合作用。此外，在建筑后續使用過程中，鋼連廊上將發生各種人行活動，所以應施加活動荷載，確定結構豎向振動加速度。利用有限元分析軟件展開分析，能夠得到樓蓋位置豎向振動加速度最大達到0.026m/s2，鋼連廊位置最大加速度值為0.25m/s2，均為超過0.15m/s2的限值，因此可以保證結構舒適度。

3 結語

在高層連體建筑設計過程中，采用滑動連接結構能夠更好地滿足建筑抗震設計要求，但應當結合建筑結構特點編制科學的設計方案，確保采取適合的構造措施增強建筑抗震性能。在設計實踐中，針對塔樓間存在扭轉效應的情況，利用滑動結構協調兩側建筑，應做好整體結構和連接結構受力分析，采用有限元分析等手段確定支座滑動位移量，確保合理設計連接體和滑動支座，保證在滿足罕遇地震作用下抗震需求的同時，還能有效控制結構變形。通過完成連接體舒適度分析，確定能夠防止建筑發生共振問題，保證鋼連廊結構后續得到安全、合理使用，從而提升建筑整體抗震性能。