淺析某連體結構的抗震設計

劉 洋

(軍委政治工作部房地產管理處,北京 100035)

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淺析某連體結構的抗震設計

劉 洋

(軍委政治工作部房地產管理處,北京 100035)

結合高烈度區某雙塔連體結構項目,詳細闡述了雙塔連體結構的結構布置、連體結構力學模型的建立,通過不同力學模型計算分析其受力性能和相互影響,探討了連體結構在水平地震和豎向地震作用下的動力反應特性;并針對結構的薄弱部位和關鍵構件提出了抗震設計時的加強措施和方法,從而為類似的工程計算和分析設計提供了參考。

連體結構;豎向不規則;彈性膜;豎向地震;桁架結構

連體結構是指兩個塔樓或多個塔樓由設置在一定高度處的連接體相連而組成的建筑物。影響連體高層結構靜力、動力受力特性的主要因素包括：塔樓的結構形式；塔樓的對稱性；連接體的剛度、數量及位置；連接體與塔樓的連接方式；豎向地震效應；風荷載脈動效應等[1-2]。

1 工程概況

某大型綜合樓由兩個對稱雙塔形成的連體組成,地下2層,地上8層,南北純地下室為車庫及設備用房,首層層高5.1 m,以上各標準層4.2 m,雙塔分別在第6層和第8層設置連接體,其中第6層采用鋼桁架形式(兩端剛接),第8層受建筑空間限制采用組合鋼梁形式(兩端固定鉸接),地上部分主要為辦公以及會議室等功能,總建筑面積約5萬m2。

本工程結構安全等級為二級,設計使用年限為50年。抗震設防烈度為8度,設計基本加速度值為0.20 g,設計地震分組為第二組,抗震設防分類為丙類,建筑場地類別為Ⅲ類,地基承載力特征值為200 kPa,采用梁板式整體式筏板基礎；上部結構采用現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻,連體部分分別采用了鋼桁架以及組合鋼梁。結構空間模型見圖1、圖2。

圖1 結構計算模型

圖2 連接體局部放大圖

2 結構方案

2.1 結構布置

兩側塔樓均采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系,塔樓縱向柱網為8.4 m,共6跨,橫向3 m×8.4 m,共3跨。框架柱斷面：地下部分900 mm×900 mm,地上部分800 mm×800 mm；標準層框架梁450 mm×700 mm,剪力墻厚度:地上4層(含)以下450 mm,地上4層以上350 m。豎向構件的混凝土強度等級由C55過渡到C40,梁、板以及樓梯構件均采用C35混凝土。

在左右兩個塔樓的第6層,通過設置鋼結構連廊來實現兩個塔樓之間的聯系,連體采用鋼桁架作為主要的承重體系,通過設置水平布置的樓板以及交叉水平支撐,形成較強的整體剛度,來實現與兩個塔樓之間的可靠連接與內力傳遞。桁架跨度為25.2 m。連接桁架上下端部與塔樓框架柱剛性連接。

2.2 加強措施

1)調整兩個塔樓的抗側剛度,減小雙塔整體計算時結構的扭轉位移過大以及連體部分產生過大應力。

2)連接體共設4榀豎向鋼桁架,且上下弦分別與第7層和第6層樓面鉸接,桁架之間設置水平系桿和交叉水平支撐,與樓板構成整體,使連接體具有足夠的豎向和水平方向的抗彎、抗剪剛度以及軸向剛度,在滿足承載能力的基礎上,滿足連接體樓層的舒適度要求。

3)鋼桁架采用整層的桁架結構,弦桿和腹桿均為箱型截面,桁架上弦與端部的混凝土柱均為鉸接。連接體部分的樓面主梁采用焊接寬翼緣H鋼,并與桁架弦桿剛接。

4)連接體的4榀桁架直接相連的框架柱均采用型鋼混凝土柱全部落地,柱子的抗震等級由二級提高到一級,同時向內延伸一跨的框架柱(包括墻肢端柱)在連接體上下各一層范圍內設置型鋼,以增強柱的承載力并提高其延性;同時與型鋼柱相連的樓面梁采用型鋼混凝土梁,以保證連接的可靠性。

對于多塔連體結構中連體部分與主塔之間的連接節點設計部位,根據《高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ 3—2011)》(以下簡稱《高規》)要求,連體結構部分進行抗震性能化設計,連體部分應該豎向地震組合,連體部分構件與節點設計宜按中震彈性進行設計[3-4]。

3 結構計算分析

該工程采用SATWE和ETABS兩個力學模型軟件進行多遇地震下的內力和變形分析,并對計算結果進行對照分析和包絡設計。結構抗震分析時,按照不規則結構,考慮雙向地震和偶聯效應,取前24階振型,以保證質量參與系數不小于90%。

同時采用彈性時程分析法進行多遇地震作用的補充計算,取多條時程曲線計算結果的平均值和反應譜法計算的較大值[3-4]。

計算模型分析：

根據本工程實際情況,建模過程中做了以下模擬,以保證結構安全。

1)施工順序,本工程主樓施工完成后,再進行連接體施工,主樓各層—連接體頂層—連接體桁架層。

2)計算時,桁架上下弦樓板定義為彈性板,以計算出設計需要的桿件內力。多遇地震和風荷載作用下,樓板拉應力不超過混凝土軸心抗拉強度標準值。

3)小震作用下,按照規范提供的簡化方法補充考慮連體部位豎向地震。

4)按照“中震彈性”補充計算連接體鋼構件內力以及直接與連接體相連接的框架梁柱。

3.1 主要計算結果

采用合適的樓板假定(彈性膜)保證小震下結構處于彈性階段。SATWE程序計算結果是工程設計的主要依據,ETABS程序計算結果則作為設計校核的補充依據。計算結果表明,自振周期在合理范圍內,結構周期比小于0.85,位移比以及位移角均滿足《高規》要求。部分計算結果見表1、表2。

表1 結構自振周期計算結果對比

表2 地震下結構變形參數結果比較

3.2 結構的彈性時程分析

采用SATWE軟件按照建筑場地類別和設計地震分組,選擇兩組實際的地震記錄和一組人工模擬加速度時程進行結構彈性時程分析。輸入地震加速度最大值70 cm/s2,并按1∶0.85考慮雙向地震輸入。計算結果見表3。

表3 彈性時程分析結果

3.3 專項分析

3.3.1 單塔計算

根據規范要求,當剛性連接的連接體部分樓板較薄弱時,宜補充連接體兩側塔樓的單體計算和承載力復合,即假定雙塔之間連廊發生破壞,兩側的塔樓形成獨立的抗震單元,以保證結構整體安全,防止連續性倒塌。兩塔樓單獨建模計算,作為整體模型結果的補充,滿足“大震不倒”的原則。

3.3.2 連接體部位樓板應力分析

連接體部位樓板應力分析見圖3、圖4。

圖3 X方向地震樓板應力

圖4 Y方向地震樓板應力

3.3.3 連接體桁架應力分析

1)小震作用下桁架桿件應力比見圖5。

2)中震作用下桁架桿件應力比見圖6。

4 抗震措施

本工程的結構設計基本能滿足規范要求的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防標準。但是在抗震設計中更重要的是概念設計,即所謂“三分計算,七分構造”,因此，還應當應用工程經驗和通過計算分析對發現的薄弱部位采取加強措施。

圖5 小震作用下桁架桿件應力比

為保證在水平地震作用下連接體部位樓層剪力的有效傳遞,增強塔樓之間的協同工作性能,對連接體采取如下加強措施：

1)連接體頂層和底層(即鋼桁架的上弦層和下弦層)采用組合樓蓋,板厚150 mm,連接體兩塔樓第一跨范圍板厚度200 mm。連接體部位樓板按照內力包絡值進行配筋設計。

2)連接體樓板下設置交叉鋼支撐,與樓板共同傳遞水平力,增強連體的整體抗彎、抗剪和軸向變形能力,使連接體部分的樓層與主樓盡量符合剛性板假定。

圖6 中震作用下桁架桿件應力比

3)對應于連接體上下弦的樓層的縱向框架梁配筋適當加強,并保證縱筋全部通長設置。

5 結 語

本文以某雙塔連體結構為背景,對復雜高層連體結構進行了抗震設計和研究,加強連接體以及與連接體相連的構件的構造設計,一般情況下,連接體與主體的連接要用剛性連接。跨度大時,可采用鋼桁架,以便減輕結構自重和方便施工。

根據本工程的復雜性特點,對關鍵環節和重要部位進行了性能化設計。通過概念設計和彈性、 彈

塑性分析計算,以及多種抗震構造措施的運用,結構物滿足了小震、中震和大震作用下各項指標的要求。

[1] 沈蒲生. 多塔與連體高層結構設計與施工[M]. 北京：機械工業出版社,2009.

[2] 唐興榮.特殊和復雜高層建筑結構設計[M].北京：機械工業出版社,2006.

[3] 中國建筑科學研究院.GB 50011—2010建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2010.

[4] 中國建筑科學研究院.JGJ 3—2011高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社,2011.

Brief Analysis on the Seismic Design of a Connected Structure

LIUYang

2016-09-28

劉 洋(1977—)，男，湖南衡陽人，工程師，從事建筑工程管理工作。

TU352.1

B

1008-3707(2016)11-0021-03