莊 晨

(福州市建筑設(shè)計院 福建福州 350001)

引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對建筑整體造型和使用空間的要求也日益提高，因此出現(xiàn)了越來越多具有獨特造型或結(jié)構(gòu)的建筑，這給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了很多新的問題和挑戰(zhàn)，連體建筑就是其中一類，下面通過論述某工程實例的設(shè)計方法，提出這類建筑設(shè)計中須額外注意的地方，供工程設(shè)計人員參考。

1 工程概況

該工程為商業(yè)辦公樓，地處福州市臺江區(qū)。整個建筑分為南、中、北三個塔樓，層數(shù)分別為二十層、八層、六層，建筑高度分別為93m、41m、32m，結(jié)構(gòu)體系為框架－剪力墻。其中南塔樓與中塔樓二、三層局部樓板相連，四～八層之間有連廊相接，北塔樓與中塔樓之間三～六層有連廊相接，所有連廊寬度約6m。

圖1 工程平面概況

2 設(shè)計思路

從(圖1)中可以看出三個塔樓形體均較規(guī)整，且高度也不高，因此比較常規(guī)的設(shè)計思路是:連廊與塔樓的連接均采用弱連接，設(shè)計成滑動支座，這樣將整個建筑劃分為三個獨立的結(jié)構(gòu)單元，減少塔樓之間的互相影響，同時避免結(jié)構(gòu)成為超限高層。但是由于建筑功能的需要，南塔樓和中塔樓二、三層位置的裙房和塔樓之間無法設(shè)置結(jié)構(gòu)縫或處理成滑動支座，因此擬將南、中塔樓之間連廊均采用剛性連接，中、北塔樓之間連廊采用滑動支座，盡量減少不同塔樓之間的影響，并在此基礎(chǔ)上進行超限審查;最終在超限專項審查組專家的建議下，考慮到三個塔樓有十分相近的體型和平面，且中、北塔樓高度和層數(shù)相差不多，因此最終方案采用所有連廊和塔樓之間均為剛性連接，形成三個塔樓的連體結(jié)構(gòu)。

3 主要計算分析過程

和常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，對采用剛性連接的連體結(jié)構(gòu)在設(shè)計中應(yīng)主要關(guān)注以下幾個方面的問題:(1)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯;(2)連接體本身受力復(fù)雜;(3)連接體與兩端主體結(jié)構(gòu)的連接方式。因此，針對連體結(jié)構(gòu)的特點，并結(jié)合超限審查的要求，對于本工程需采取以下措施:

(1)為保證力學(xué)分析的可靠性，采用盈建科及PKPM的SATWE兩個軟件進行多遇地震下的靜力計算分析，并驗證結(jié)構(gòu)各部位在多遇地震作用下的性能目標，計算振型數(shù)不應(yīng)小于塔數(shù)的9倍，且保證振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%以上;

(2)為控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，同時綜合考慮建筑使用功能，采用各個塔樓的端部布置剪力墻，并盡量讓剪力墻形成較為完整的筒體，并且根據(jù)不同塔樓高度的不同，通過調(diào)整剪力墻的數(shù)量和長度，盡量使三個塔樓的剛度比較接近，以減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng);

(3)采用混凝土連廊，各層連廊及周邊板塊計算中采用彈性板模型，并對其應(yīng)力進行分析，連廊板厚適當加強，且雙面雙向配筋，保證其在設(shè)防地震下不破壞，以提高連廊的強度，有利于協(xié)調(diào)連廊兩端的塔樓變形，也起到減少結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的作用;

(4)由于塔樓框架柱跨度較大(達到18m)，且部分框架柱和連廊剛接，因此大跨度框架柱抗震等級提高一級，采取中震彈性的性能設(shè)計;

(5)剪力墻底部加強區(qū)高度取至九層樓面標高(比連廊高一層)，底部加強區(qū)剪力墻抗震等級提高一級，且采用抗剪彈性，抗彎不屈服的性能設(shè)計;

(6)采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算，結(jié)合本場地實際情況及結(jié)構(gòu)的特點，選用兩條天然波及一條人工波進行時程分析(三條波均需滿足規(guī)范要求)，計算結(jié)果取時程分析法計算結(jié)果的包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值;

(7)對各個塔樓按單塔樓分別進行計算，其位移、扭轉(zhuǎn)位移比均能滿足要求，配筋按單塔和整體模型包絡(luò)設(shè)計;

(8)此外補充進行了罕遇地震下的動力彈塑性變形驗算，保證結(jié)構(gòu)罕遇地震下的結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角均滿足規(guī)范要求，且大跨度框架柱在罕遇地震下均不出現(xiàn)塑性鉸。

4 主要計算結(jié)果

(1)結(jié)構(gòu)主要的整體指標(表1、表2):

表1 整體結(jié)構(gòu)SATWE和盈建科計算結(jié)果

表2 各單塔SATWE計算結(jié)果

由以上兩表可以看出，兩個軟件的計算結(jié)果基本一致，整體結(jié)構(gòu)的周期比不到0.5，最大位移比也小于1.40，可見結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)得到比較有效的控制，且各單塔的整體指標也都能滿足規(guī)范要求。

(2)本工程采用兩條天然波(T632，ELC－3)及一條人工波(RH2TG055)，輸入SATWE進行多遇地震下的彈性動力時程分析。

圖2 時程分析最大樓層剪力曲線圖

圖3 時程分析最大層間位移角曲線圖

由(圖2、圖3)可以看出，時程分析補充計算結(jié)果滿足規(guī)范的各項要求，且時程結(jié)果總體上小于規(guī)范反應(yīng)譜結(jié)果，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.3.5條，取時程法計算結(jié)果的包絡(luò)值和反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)，實際設(shè)計時將在SATWE中對地震力放大1.15倍后，樓層剪力和彎矩比時程分析輸入的三條地震波計算結(jié)果都要大，滿足包絡(luò)要求。

(3)連廊樓板應(yīng)力采用PMSAP進行計算，部分分析結(jié)果如(表3、圖4、圖5)所示:

表3 設(shè)防地震下彈性計算各層樓板拉應(yīng)力計算值(N/mm2)

圖4 X向地震四層樓板應(yīng)力圖

圖5 Y向地震八層樓板應(yīng)力圖

由計算結(jié)果可知，在設(shè)防烈度地震作用下樓板的最大第一拉應(yīng)力為4.075MPa，配置雙層雙向Φ12@150鋼筋網(wǎng)(三級鋼)即可滿足工作要求。

(4)由于各塔樓剪力墻全部布置在兩端，中部僅設(shè)置框架柱，各塔樓框架柱X方向跨度達到18m，大多為單跨，且部分框架柱和連廊剛接，因此提高大跨度框架柱的延性至關(guān)重要，超限審查要求框架柱抗震等級提高一級，且采取中震彈性的性能設(shè)計，實際設(shè)計時主樓大跨度框架柱均采用鋼管混凝土柱，直徑900～1300mm，鋼管壁厚25～40mm，鋼材強度為Q235，內(nèi)部混凝土強度等級達到C40～C60，計算結(jié)果表明軸壓比基本小于0.3～0.5，可以滿足中震彈性的要求。

主樓內(nèi)大跨度梁采用型鋼混凝土梁，連廊為混凝土梁，和鋼管混凝土柱的連接方式采用承重銷的連接方式(圖6)，梁內(nèi)鋼筋焊接在承重銷上，使得梁內(nèi)力的傳遞更加直接可靠。

圖6 梁和鋼管混凝土柱連接做法

(5)為確保結(jié)構(gòu)的安全性，實現(xiàn)“大震不倒”的抗震目標，還補充進行了罕遇地震下的動力彈塑性變形驗算(圖7)。計算采用的軟件為PKPM的EPDA，罕遇地震下的結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角最大結(jié)果分別為均1/221和1/244，均小于規(guī)范規(guī)定的1/100的要求;結(jié)構(gòu)的塑性鉸基本都出現(xiàn)在梁端，大跨度的框架柱均未出現(xiàn)塑性鉸，因此該部分框架柱應(yīng)能滿足抗震要求。

圖7 動力彈塑性工況時樓層位移角曲線

3 結(jié)語

連體結(jié)構(gòu)作為一種較新的結(jié)構(gòu)形式，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較明顯，受力比常規(guī)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，在設(shè)計中應(yīng)注意控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，注意連接體的內(nèi)力分析，并根據(jù)連接體和塔樓的連接方式的采用合適的分析方法，對重要構(gòu)件須做專門的性能設(shè)計，以保證結(jié)構(gòu)的整體安全。本文為筆者根據(jù)自身的一個工程實例做這方面的簡要介紹，其中難免會有一些疏漏，請廣大讀者指正。

[1]GB50011－2020，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2]JGJ3－2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]CECS28∶90，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程[S].

[4]06SG524，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造[S].

[5]徐培福，傅學(xué)怡，王翠坤.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[6]方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計[M].機械工業(yè)出版社，2014.