某連體超限高層辦公樓結構設計分析

鄭智輝

(廈門上城建筑設計有限公司 福建廈門 361012)

0 引言

連體高層結構由兩個或兩個以上的塔樓和它們的連接體所組成，是一種復雜的高層建筑結構。當風或地震作用時，結構除產生平動變形外，還會產生扭轉變形，扭轉效應隨塔樓的不對稱性的增加而加劇[1]。連接體及其與兩側塔樓的支座連接是連體結構的關鍵問題，均應進行詳細分析與設計。本文以上海中駿·天悅1#、2#樓高層辦公樓為例，介紹連體高層結構的抗震分析與設計。

1 工程概況

中駿·天悅1#、2#樓高層辦公樓位于上海市，共21層，高度為96.850m，主要層高為4.2m及4.4m，設2層地下室。2棟樓呈鏡像布置，第15～18層通過三層鋼結構連接體聯系在一起。主要結構平面圖及立剖面見圖1～圖2。

建筑平面電梯筒偏置，且外圍框架未完全圍合，因此采用框架-剪力墻結構。結構長寬比較大，豎向構件偏心受拉情況明顯，局部采用型鋼混凝土構件。

該工程設計使用年限50年，設防烈度為7度(0.10g)，地震分組第一組。基本風壓為0.55kN/m2，地面粗糙度類別為C類。項目存在連體、剛度突變、樓板不連續、承載力突變及穿層柱幾項不規則情況，結構連體是該工程能否具有良好的抗震性能主要問題。

2 結構布置

主要豎向構件布置：外圍框架柱主要截面1000×1400，向上逐漸減少，并在下部樓層及連體樓層的柱內加設型鋼。中間的剪力墻基本圍合成兩個“小筒”，底部加強區剪力墻內局部設置型鋼。對于總體來說，加強兩側豎向構件，適當削弱中部，以利于結構的抗扭性能。

梁系布置：與框架柱相連的Y向框架梁截面主要為600×800；南側X向框架梁加高為600×1000；結構連梁高度大部分均控制在600mm以內。如此設置有利于調整豎向構件偏心布置帶來的剛心偏置的問題。

圖1 標準層結構平面圖

該工程的難點在于“A塔樓與B塔樓之間連接部位的合理結構選型”。塔樓連接體位于65m～78m高空，為減輕連接體自重，采用鋼結構。如果連接體與主塔樓采用弱連接，由于在高位連體，抗震縫較寬，無論從建筑還是結構方面，該抗震縫均會帶來相應的問題，并且考慮到兩側塔樓平面基本對稱，受力變形均勻，因此對連接體與塔樓間的連接按強連接設計。

連接體跨度29m，初步考慮采用鋼桁架的結構型式，備選方案有：連體底層普通桁架，疊層空腹桁架及疊層混合空腹桁架3種型式。綜合考慮，該工程選擇了疊層混合空腹桁架，將空腹桁架與帶斜腹桿桁架結合起來，以斜腹桿來抵抗剪切變形，如圖3所示。

圖2 立面及剖面圖 圖3 疊層混合空腹桁架

連接體布置：15～18層三層鋼結構連接體跨度約29m，通過4層弦桿、兩排豎腹桿及兩排斜腹桿整體組成疊層混合空腹桁架，主要桿件為900×600×35×35的方鋼管及900×700×20×50的H型鋼。

連體部位樓板采用鋼筋桁架樓承板，頂層及底層板厚180mm，中間層板厚150mm。

3 地基基礎

綜合考慮上部建筑物荷載、工程地質條件及周圍環境，主樓基礎擬采用PHC預應力管樁，選擇灰色粘土層作為樁端持力層。

由于采用剛性連接的連體結構對沉降差異很敏感，減少沉降差異的關鍵還是要減少絕對沉降。根據《上海市地基基礎設計規范》[2]進行沉降計算，并補充實體等代法進行校核，控制樁基中心計算沉降量在70mm以內，建筑傾斜不大于0.004。

4 結構設計

彈性計算分析采用YJK作為主要計算分析軟件，并同時采用MIDAS/Building對YJK分析結果進行校核。另外，根據表1的分類對結構補充進行時程分析及性能設計。

表1 分析項目及步驟

4.1 結構計算考慮的問題

4.1.1多塔及風荷載

整體計算時，采用分塊剛性模型，除2、15、16、17、18樓層為一個剛性塊外，其他樓層均采用兩個剛性塊，具體分塔情況如圖4所示。

圖4 結構模型分塔示意圖

多塔模型可以合理考慮其連體結構立面開洞對迎風面的影響，但是該項目兩棟樓間距較近，因此，特別考慮風力的相互干擾。根據文獻[3]計算，風荷載體型系數應乘以1.15的增大系數。

4.1.2施工次序

盡管該項目兩塔樓平面布置基本對稱，但考慮到建筑場地位于上海，建筑物建于軟土地區之上，仍慎重考慮兩塔樓的差異沉降帶來的影響。

因此，設計要求待連接體兩側塔樓主體結構封頂后(連體部位預留連接節點)，再進行連體結構的吊裝和施工。設計按連體結構實際的施工次序予以計算。

4.2 抗震超限情況及措施

該工程存在連體、剛度突變、樓板不連續、承載力突變及穿層柱幾項不規則情況，按照《高層建筑混凝土結構技術規程》[4]的要求，綜合考慮各項因素后，設計對結構提出性能目標要求，并針對該工程的薄弱環節采取適當的加強措施，具體如表2所示。

表2 針對該工程薄弱環節的加強措施

4.3 結構分析的主要設計結果

4.3.1小震CQC彈性分析

小震CQC彈性分析結果表明，兩種軟件計算結果比較吻合，周期、位移、剪重比等各項指標均滿足規范要求。

整體模型的第一扭轉周期與第一平動周期之比約為0.85，滿足規范相關要求，表明連體結構具備合適的抗扭剛度。圖5為結構前6階振型的振型圖，由于整體為對稱連體結構，振型基本具有對稱性(正對稱或反對稱)。這種同向或反向的振型，對于結構上部采用剛性連接的連體結構，其對結構產生的影響有利。

振型1(Y向平動) 振型2(X向平動) 振型3(整體扭轉)

振型4(分塔X向平動) 振型5(分塔Y向平動) 振型6(分塔扭轉)圖5 結構振型圖(前6階)

由圖5可見，各樓層剛度比及受剪承載力在以下部位變化較大：(1)結構底層(上下層高相差大)；(2)第15～18層連體樓層。針對以上部位，采取地震作用剪力放大1.25倍的方式予以加強設計。

4.3.2小震彈性時程分析

該項目采用上海市抗震設計規程[5]中提供的地震波進行計算，設計中對時程分析中結果超過CQC的樓層地震剪力予以放大，放大系數約為1.01～1.20。

4.3.3中震下構件性能設計

在評估結構及構件對應于中震的性能目標時，仍然采用規范提供的振型分解反應譜法。

(1)底部加強部位豎向構件按“中震抗剪彈性、抗彎不屈服”復核，后續設計中通過提高剪力墻豎向分布筋配筋率、增設型鋼等方式以滿足該性能目標要求。針對中震下出現小偏心受拉剪力墻肢，采用在墻內布置型鋼及鋼板。

(2)連接體節點應力分析，根據前述“構件性能目標”要求，連接體節點保持“中震彈性”，控制鋼桁架構件在整體模型計算下應力比不大于0.85(考慮樓板可能開裂失效，按板厚為0計算)。另外，將連接體節點建立有限元分析模型(Midas/FEA)，根據中震各工況的內力，對節點進行應力分析。

連接體桁架斜桿上節點為全鋼節點按中震作用下彈性分析；連接體桁架斜桿下節點為鋼與鋼筋混凝土組合節點，按中震作用下考慮材料的非線性及幾何非線性計算。

圖6 桁架上節點的Mise 應力圖

圖7 鋼構件Mise應力(左圖)及混凝土受拉損傷情況(右圖)

從圖6中可知，鋼構件節點區域的VonMises應力大部分均小于300MPa，整體上節點承載力滿足“中震彈性”的要求。

圖7左圖顯示的是型鋼及鋼構件Mises應力大于315MPa的部分，僅局部區域(水平鋼梁與型鋼柱、斜桿交接處)出現應力集中現象，應力達到450MPa左右；根據圖7右圖所示，混凝土受拉區混凝土的開裂損傷情況也較小。

采用Midas/FEA對連接體桁架斜桿上下節點的有限元分析，可知節點的承載力滿足“中震彈性”的性能目標。

4.3.4連接體部位補充分析

(1)豎向地震作用分析

該工程兩塔樓在距地面高度65m～78m范圍存在約29m跨度的局部連體結構，大于規范大跨度24m限值。因此，對連體結構進行豎向地震作用驗算。

(2)樓板應力分析

連接體樓板(特別是上、下弦所在樓板)及與其相鄰的塔樓樓板，受力較復雜，整體模型計算時，該部分樓板定義為彈性樓板。

對該樓板進行有限元應力分析，要求多遇地震下樓板拉應力不大于混凝土抗拉強度標準值ftk，中震下樓板鋼筋拉應力不大于鋼筋抗拉強度設計值。連接體頂部、底部及相鄰一跨樓板厚取180mm，連接體樓層其余板厚取150mm，雙層雙向配筋率均不小于0.3%，并根據應力分析結果局部附加板筋。

連體樓層結構長度超過結構伸縮縫最大間距，但連接體樓板在兩側塔樓施工完成一段時間后澆筑，此時塔樓樓板溫度變形已釋放較多。經驗算，該工程連接體樓板封閉后溫度應力對樓板配筋不起控制作用。

(3)樓板舒適度分析

連接體樓蓋的功能主要為辦公室(無振動荷載)，根據PKPM軟件的SLABFIT模塊分析，樓蓋能滿足舒適度的要求。

4.3.5大震動力彈塑性分析

在罕遇地震作用下，結構表現出非線性行為并引起結構內力重新分布，該工程采用Building進行罕遇地震作用下彈塑性分析。

罕遇地震波計算結果得到的基底剪力與小震彈性計算結果的比值約3.5倍，基本處于合理范圍。結構在地震作用X向、Y向的最大層間位移角最大值分別為1/127、1/117，均小于規范規定的1/100限值。

該工程主要考察連接體部位在罕遇地震作用下的情況，選取上海地震波中基底剪力較大的結果進行分析討論，框架鉸結果如圖8所示。

計算結果表明，連接體部位在罕遇地震作用下，均未出鉸，仍然保持彈性狀態。因此，連接體部位鋼結構滿足罕遇地震作用下不屈服的性能目標。

圖8 地震波作用下框架鉸結果(25s)

5 結語

該工程1#、2#辦公樓主體為雙塔高位連體高層結構，屬于超限高層建筑。為保證其滿足不同性能水準設計要求，在結構分析與設計上進行了多方案的對比分析，主要如下：

(1)該工程連體部位采用鋼結構疊層混合空腹桁架的型式，與兩側塔樓主體結構“強連接”。

(2)采用YJK、MIDAS兩種不同設計軟件對整體結構及單塔模型進行深入分析對比，主要內容如下：

①小震和風荷載彈性分析——主要包括自振特性、剪重比、樓層位移、樓層剛度和受剪承載力，計算結果均符合規范要求；

②中震分析——主要包括樓層位移整體指標、底層加強部位和連體結構的局部指標(中震彈性)均滿足性能目標要求；

③對連接體結構構件按大震不屈服復核；采用MIDAS Building軟件進行大震動力彈塑性分析結構整體性能和構件變形性能；

④連體部位細化分析——主要包括節點應力分析、豎向地震作用和樓板分析。

該工程屬于超限高層建筑，由于在結構設計時采取了合理的結構布置，對結構的薄弱部位進行了加強以及性能化設計，并采用型鋼混凝土構件，使得結構具有良好的抗震性能。