某弱連體高層相連格柵的做法選型和整體分析

梁戰場， 潘奕康， 丘創寶， 吳增煜

（1.中國電建集團城市規劃設計研究院有限公司，廣州 510000；2.廣州寶賢華瀚建筑工程設計有限公司，廣州 510000）

0 引言

近年來，隨著工程技術的進步和人們對建筑品質要求越來越高，建筑造型越來越復雜，尤其是連體建筑層出不窮，連體樣式也是多種多樣，根據連接體和主體結構的連接情況，連體建筑分為剛性連接、半剛性連接及柔性連接[1,2]。連體建筑豐富了建筑立面，提升了建筑品質，同時也對結構設計提出了挑戰。

許多學者對連體建筑進行了諸多探索和工程實踐。李霆等[3]在某混合減震連體高層項目中探討了粘滯阻尼器和BRB支撐在連體結構中的作用；朱鳴等[4]做了弱連體結構整體模型與單體模型時程分析的對比研究，指出弱連接連廊對主樓影響較小，可以采用單塔的反應譜分析結果作為主要構件的設計依據；張良蘭等[5]對某一復雜連體結構做了靜力和動力彈塑性分析，驗證了連體結構在大震作用下的可行性。另外，吳耀輝、張世順等[6,7]對大底盤雙塔連體及多塔連體建筑的抗震、減震性能、動力響應進行了細致分析，得到諸多有益的結論。

文中介紹了一種新型建筑連體形式。項目主體為兩棟住宅樓，在較矮住宅樓頂部二者有一層連廊連接，連廊與二者連廊下兩棟樓之間有格珊相連，主要介紹格柵的選型和構造做法以及相連格柵對兩棟塔樓動力性能的影響情況，為類似工程提供參考。

1 工程概況

項目是某房地產投資興建的兩棟住宅樓，均為剪力墻結構體系，地下3層。1#樓地上28層、屋面高度89.25m，2#樓地上37層，屋面高度117.05m，二者底部有2層裙房，裙房在1#樓邊界處設抗震縫。兩個塔樓在26層有高空連廊，連廊以下、裙房以上兩個塔樓又有格柵相連。連廊與1#樓側滑動連接，與2#樓剛接（即連廊結構上歸屬2#樓），塔樓的效果圖及格柵相連示意圖，如圖1、圖2所示（右側樓高較低者為1#樓）。

圖1 塔樓效果圖

圖2 格柵相連平面示意圖

工程所在地區建筑抗震設防烈度為7度、場地類別為Ⅱ類，50年一遇基本風壓為W0=0.5kPa，地面粗糙度C類；工程抗震設防類別為丙類、建筑安全等級為二級。

因文中主要針對格柵的選型及格柵對整體結構的影響分析，各棟單體本身的結構布置不作重要介紹，因此不再過多敘述結構布置情況。

2 格柵的選型、構造做法及計算分析

在建筑早期方案中，兩棟樓之間的豎向格柵為鋁方通，支撐鋁方通的主結構梁為每隔兩層一道，且左右錯落布置，如圖1所示。前期業主考慮不想在使用過程中對此造型進行維護，且遵循建筑前期方案意圖，主結構梁兩側錯落布置的情況，主結構梁擬采用懸挑混凝土梁，此時1#樓（右側較矮單體）挑梁長度約為6.3m，2#樓挑梁長度約12.0m。混凝土方案存在如下問題：

（1） 剛度不足。支撐梁懸挑過大，其面內和面外剛度不足，考慮支撐梁寬度有限，面外剛度相對更小。

（2） 施工過于麻煩。混凝土支撐梁結構需要搭設通高腳手架，不但經濟性差且嚴重影響工期。

（3） 建筑構造不易處理。因1#、2#塔樓分別挑出支撐梁，其豎向鋁方通格柵也應分屬1#、2#樓，但此鋁方通下方需固定在裙房頂、上方需固定在26層連廊底，裙房和連廊結構上均歸屬2#樓，節點需做滑動構造，鋁方通較輕，若一端做滑動構造，勢必在正常使用時可能產生晃動，產生安全隱患。

因以，將此支撐主梁（即格柵主梁，下同）選定為鋼結構形式。

2.1 鋼梁格柵構造

主支撐梁改為鋼梁仍需解決剛度問題，而鋼梁面內、面外剛度更小，因此建議建筑設計師將兩側主梁錯落布置改為拉通布置，鋼支撐梁直接連接1#和2#塔樓主體。此時新的問題出現，鋼梁直接連接了1#和2#樓，概念上形成了連體，其與主結構連接節點如何處理才能將連體效應降低到可以忽略的地步。考慮到鋼梁跨度18m，垂直于鋼梁軸線兩個方向抗彎線剛度較小，初步判斷相對于兩個塔樓的側向和豎向剛度而言應是基本可以忽略；但鋼梁軸向剛度很大，當兩個樓沿著鋼梁軸線方向運動時其拉扯力將不可忽略，實際能起到連體作用，因此鋼梁節點做法需釋放軸向約束，但保留垂直于軸線的兩個方向的水平和轉動約束。考慮裙房和連廊結構上均歸屬2#樓，故釋放1#樓側鋼梁的軸向約束。

經計算鋼支撐梁截面為300mm×550mm×14mm。其做法如圖3所示。

圖3 格柵梁節點大樣平面圖（單位：mm）

2.2 鋼梁格柵對主體結構影響計算

采用YJK軟件，在雙塔之間建立支撐鋼梁，鋼梁在1#樓側釋放軸向約束，保留其他自由度約束，鋁方通格柵與支撐鋼梁鉸接，將鋁方通自重及按鋁方通和鋼梁按迎風面換算的風荷載輸在鋼梁上，進行整體計算。

首先需考察帶格柵梁模型和不帶格柵梁模型的整體指標差異，通過整體指標的對比可反應出釋放了軸向約束格柵連接體對兩個單體的影響程度，圖4為有、無格柵梁2#樓第一陣型圖、表1為2#樓的前3個周期對比。由圖表可知有無格柵梁對2#樓前三周期的影響微乎其微，差別均不超過1%，考查1#樓前3周期及兩棟樓各層剪力，其差別也均在1%以內。由此可知，釋放了支撐鋼梁軸向約束后，長寬比約為60的鋼梁較弱的抗彎剛度基本對兩棟樓無影響，兩棟樓仍可按各自單體模型進行計算配筋。

圖4 有無格柵梁2#樓第一陣型（為便于對比未帶入連廊）

表1 2#樓不同模型下前三期周期對比

依據現有梁截面布置，考察模型計算結果，鋼梁最大應力比僅0.35，尚有足夠的安全富裕。同時，注意到此鋼梁處于室外且以后檢修維護復雜，也對其反腐措施提出了較高要求。圖5為現場實景圖。

圖5 方案修改后格柵施工實景

2.3 格柵主梁剛度控制分析

兩棟樓之間相連格柵雖在高空，視覺距離較遠，但對其豎向荷載及風荷載下的剛度和變形也應加以控制，以避免產生較大位移，引起視覺上的不舒服。

豎向鋁方通格柵屬于幕墻系統（幕墻設計人員根據行業經驗選擇鋁方通截面），水平格柵主梁為其支撐，屬于結構系統。

由于格柵為鏤空狀態，對格柵在時程風荷載下的計算殊為困難，同時參照現行“荷載規范”，對于圍護結構，由于剛性較大，在結構中不必考慮其共振分量，可通過陣風系數近似考慮脈動風瞬間的增大因素[11]。故本節以靜力等效風荷載下結構的變形來近似預估結構剛度。計算發現，格柵主梁前兩階的振動頻率為橫向 f1橫=6.1Hz，豎向 f1豎=6.8Hz，此種結構為典型的自重輕、頻率高的輕型結構，振動設計應該更多關注在靜荷載作用下其剛度是否滿足要求[12]。根據豎向鋁方通格柵和水平格柵主梁的迎風面積，將風荷載等效換算為作用在格柵主梁上的線荷載，計算可知，在豎向荷載及換算風荷載作用下，格柵主梁的豎向和水平最大位移分別為6.37、13.01mm，撓度值分別為跨度的1/2800和1/1380，遠小于規范限值，從側面反映，格柵主梁的剛度是足夠的，其振動幅度也是可控的。

3 結語

文中主要針對兩棟樓之間的格柵連接體做了初步探討，包括格柵的選型、各種選型存在的設計和施工方面的問題、連接體對塔樓整體指標的影響等，并得出如下結論：

（1） 格柵連接體的主支撐梁做鋼結構是最為合適的，并且需釋放其一側的軸向約束。

（2） 釋放了軸向約束，長寬比約為60的鋼梁較弱的抗彎剛度基本對兩棟樓無影響，兩棟樓仍可按各自單體模型進行計算配筋。

（3） 參照豎向荷載作用下規范對鋼梁撓度的規定，長寬比約為60的格柵主梁在本地區風荷載作用下橫向位移原小于規范限值，其振動幅度是可控的。