某復雜超限高層建筑的大跨連體結構設計

宋躍飛 淮北建筑勘察設計研究院有限公司

1 前言

本文對能夠復雜超限高層工程建筑的應用需求、結構等方面進行全面分析，對比所選取的不同連體形式。分析所利用的軟件為多種有限元軟件，探究樓板應力、連體結構的承載力等內容。

2 工程概況

此次工程是復雜超限高層結構，建筑的具體表現為高度：36m，地上與地下分別為8層、1層，屋頂有格柵。地上每層高度均在4.5m。第6 層到屋面層均屬于大跨度連體結構，連體跨度：63m，寬度：27m，建筑高度13.5m。連體部位建筑主要是應用于辦公與會議。

此建筑結構為二級安全等級，結構重要性系數：1.0。設計應用為50年。抗震設防烈度：6度，基本地震加速度設計為：0.05g，抗震設防類別是標準防類中。

3 單塔樓與整體結構計算對比

連體結構屬于鋼結構桁架，雙側塔樓為剪刀墻結構體系，其結構平面柱網的尺寸全部為9m。根據我國高層建筑混凝土結構技術的相關要求與標準，針對連體結構各自獨立部分，需要具備同樣或相似的剛度、體型等。但是，由于本次工程兩側塔樓體積、剛度所存在的差異較大，地震作用方向的夾角約為45°，在地震、風荷載作用下，若連接方式無法對兩側塔樓的整體變形與受力情況進行調整，因此，本工程需要將雙側塔樓與連體結構進行剛性連接，并將此深入塔樓一跨，為確保能夠更好地傳遞水平力，此跨所應用型混凝土結構。

針對兩側塔樓體型差異，需先應用YJK拆分計算連體中的各個獨立部分，獨立部分的具體情況見圖1、表1。

表1 獨立部分的周期對比

圖1 側向剛度對比

在計算單塔樓、整體結構后能夠發現（見表2），兩側塔樓會因為周期、質量存在差異，同時側向剛度也存在不同。獨立部分2的平面呈現為斜向布置，和獨立部分1存在較大夾角，從而使兩側塔樓地震作用方向存在夾角情況。當應用滑動支座會存在較多的問題，由于連體部位為辦公、會議，因此需要較高的安全性與舒適度。基于此，可利用兩側塔樓結構與連體剛性連接的結構方案進行。在具體施工過程中，當利用分層組裝時，連體最底層結構需要較強的承載能力，不利于施工，可應用整體吊裝的施工方式進行。

表2 單塔樓與整體結構主要計算結果對比

4 連體結構設計

4.1 連體方案

分析此次工程建筑所應用的實際要求、結構特點等方面，明確連體方案需要考慮桁架榀數，對兩種連體方案進行深入設置，分別為對最外側兩榀桁架設置和連體縱向軸線對四榀桁設置。通過對比，第一種對建筑功能影響較低，且橫向范圍內無結構構件，但是次梁跨度、構件截面較大，建筑層高度較低，次梁過高的情況下會嚴重影響建筑凈高，導致結構缺少安全性。而第二種結構冗余度高，桁架截面及次梁截面相對較小，利于建筑凈高，但是，中間兩榀桁架會影響建筑功能。通過分析、對比綜合性后，選取第二種方案，構建力學模型進行對比后計算。

在方案一中，中間兩榀桁架是主要受力構建，應力比控制截面由中間兩榀桁架構建的截面構成。中間兩榀桁架支座周圍構件內力最大，弦桿端彎矩、斜腹桿周力分別為537kN·m、10944kN，應力比最大值0.84。在方案二中，中間空腹桁架是主要受力構件，支座處弦桿端彎矩1120kN·m，豎桿應力比最大值1.0。表3中方案二的構件截面尺寸相對較大。

表3 兩個方案的構建截面對比（mm）

方案一：桁架邊跨撓度和中間跨撓度分別為38mm、48mm，桁架豎向剛度較大，中間跨撓度與邊跨差異不大；方案二：桁架邊跨撓度和中間跨撓度分別為40mm、74mm。對比方案一，此方案的中間是空腹桁架，所以整體豎向剛度小，邊跨與中跨的豎向剛度之間差距較大。綜合分析，由于方案二的構件尺寸會對建筑凈高造成影響，整體剛度達不到相應的要求與標準，因此，通過考慮選擇方案一作為本次連體方案，在方案一種，中間桁架在具體設置時是建筑走廊隔墻，能夠減少影響建筑具體功能。

4.2 連體結構計算

4.2.1 小震作用分析

連體與兩側塔樓的有效連接，需要確保連體桁架弦桿通長貫通，可以直接深入兩側塔樓的結構內，并且水平力可以與豎向荷載保持一個平行可靠的傳遞狀態。小幅度震動的作用下，連體結構中間榀桁架的強度應力比最大值為0.80，主要位于支座腹桿處。

4.2.2 大震作用下動力彈塑性時程分析

此工程屬于復雜性的超限高層建筑，為了能夠更好地實現“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震目標，需要選擇符合性能標準的抗震設計方法，基于綜合考慮的結果，設定本次工程結構各個部分的抗震性能都符合要求，均為C 級，考慮的內容主要包括設防的類別、強度、場地條件、建造所需要的費用等。不光大跨度的連體結構桁架支座柱作為整個結構中關鍵構件，連體桁架也起著至關重要的作用，性能通常為中震度的彈性，大震不屈服。在對基于大震作用下的彈塑性時程分析前，需要先采用YJK完成對模型靜力和模態分析，隨后采用SAUSAGE 再次完成對施工過程中整體施工模擬和模態分析，分析完成后整合分析數據，采用校核模轉換結構的準確程度，從YJK轉換到SAUSAGE。嚴格按照建筑場地具體類型和地震設計分組情況，選擇具有實際應用效果的兩組地震數據，同時還要選擇采用人工模擬完成的加速度時程曲線，遇到非常罕見的地震時，峰值的加速度值就會發生變化，通常取125gal。

大震作用下，連體兩側塔樓很大一部分墻體都沒有受到任何程度的損傷，只有小部分與連梁相近的墻體出現了不同程度受壓損傷，具計算發現，受壓因子僅有0.1左右，對其他系統并未造成任何程度的影響。部分墻體有受拉損傷的現象，具計算損傷因子的上限值為0.4，墻體縱筋、水平筋都沒有出現任何塑性應變的現象。連體兩側的柱子采用的柱子類型為型鋼混凝土柱，一旦此結構受到大震，同樣不會出現嚴重的受壓損傷現象，即使在不特定的情況下出現了也只是極少數，不會造成不可彌補的影響。計算數值可知，大震作用下損傷因子僅為0.1左右。大部分屋面位置和少部分的柱子底部，都出現了不同程度的混凝土受拉損傷。柱中鋼骨和鋼筋都與桁架緊密相連，均為發生塑性應變，沒有進入屈服。大震程度下，整體樓板的受壓程度與損傷程度都會在此作用下逐漸變小，發生損傷部分的主要原因是與連體和塔樓連接的距離太近。由于樓板的鋼筋沒有直接出現屈服現象，所以不會對剪力傳遞速度的快慢造成任何影響。連體結構桁架鋼結構內的各個構件，一旦受到較大外力的影響，也不會產生塑性應變。

4.3 樓板舒適度分析

通過利用0.5m 網格細分連體樓板，詳細計算樓板自振頻率。樓板第一階模豎向自振頻率為2.1315Hz，無法滿足我國高層建筑混凝土結構的相應標準與要求，因此需要對此進行豎向振動加速度峰值驗算。在具體驗算過程中，根據步速1m/s 施加時程步行荷載，在兩種不同工況的情況下，樓板的峰值加速度為0.0591m/s2、0.0675m/s2，都能夠符合相關規定與要求。當前所設計的建筑能夠達到舒適度的標準。

4.4 連體部位構造措施

通過對大跨度連體結構應用構造措施，以此提升整體結構，具體包含以下幾種措施：（1）采用剛性連接對連體結構、塔樓進行連接，在主體結構一跨中伸入連體結構。（2）連體部位與兩側塔樓兩跨范圍內樓板為150mm的厚度，利用雙層雙向鋼筋網，各個層的不同方向鋼筋網的配筋率應當超過0.30%。（3）應當加大連體部位邊梁截面。（4）針對連體高度的范圍和連體高度上、下層，提升連體和連體向量結構構件的抗震性，增加其等級，對框架剪力墻抗震需要提升為二級等級。（5）與連體向量的框架柱需要應用型鋼混凝土柱，對箍筋全段進行加密，降低壓軸比限值為0.05。（6）在連體高度范圍和連體高度上、下層，對連體相連的剪力墻設置約束邊緣構件。

5 結束語

綜上所述，針對復雜超限高層的連體設計過程中，通過計算連體樓板應力分析、單塔計算分析等內容，在對薄弱部位進行提升時，充分利用相應的措施，使結構能夠達到抗震設防目的。