黃運(yùn)財

(廈門瑞達(dá)置業(yè)有限公司　福建廈門　361000)

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某高層結(jié)構(gòu)的連接體設(shè)計

黃運(yùn)財

(廈門瑞達(dá)置業(yè)有限公司福建廈門361000)

連體建筑是一種體型和受力復(fù)雜的高層建筑。連接體是連體建筑的關(guān)鍵構(gòu)成，水平荷載作用下內(nèi)力及變形復(fù)雜，是連體建筑抗震設(shè)計的關(guān)鍵問題與技術(shù)難點。文章結(jié)合某工程弱連接方式的實例，參考連體結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，詳細(xì)介紹了某高層結(jié)構(gòu)連接體的設(shè)計過程以及連接體樓板舒適度的驗算方法。

連接體；鉛芯橡膠支座；變形量；舒適度

0　引言

隨著現(xiàn)代建筑形體的日趨復(fù)雜及建筑功能的需要，連體結(jié)構(gòu)越來越多地出現(xiàn)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中。連體結(jié)構(gòu)是指除裙樓以外，兩個或兩個以上塔樓之間帶有連接體的結(jié)構(gòu)。連體建筑是一種體型和受力復(fù)雜的高層建筑，通過在不同塔樓間設(shè)置連接體將單體結(jié)構(gòu)連在一起，方便不同建筑物之間的空間聯(lián)系[1]。

連接體作為連體建筑的關(guān)鍵構(gòu)成，水平荷載作用下內(nèi)力及變形復(fù)雜，成為連體建筑抗震設(shè)計的關(guān)鍵問題與技術(shù)難點，如處理不當(dāng)結(jié)構(gòu)安全將難以保證。連接處理方式一般根據(jù)建筑方案與布局來確定，根據(jù)連接體與塔樓的連接方式，連體結(jié)構(gòu)可分為2類——強(qiáng)連接方式和弱連接方式。強(qiáng)連接方式是指連接體結(jié)構(gòu)采用兩端鉸接、兩端剛接的形式與塔樓相連，弱連接方式是指連接體結(jié)構(gòu)采用一端鉸接、另一端滑動連接或兩端滑動連接的方式與塔樓相連。

當(dāng)連接體包含多層樓蓋，且連接體結(jié)構(gòu)剛度足夠，能將主體結(jié)構(gòu)連接為整體并協(xié)調(diào)受力變形時，可采用強(qiáng)連接方式，其設(shè)計要點是使連接體與塔樓真正連為整體，完全協(xié)調(diào)受力。當(dāng)連接體結(jié)構(gòu)較弱，無法協(xié)調(diào)主體結(jié)構(gòu)共同工作時，可采用弱連接方式，其設(shè)計要點是預(yù)留支座足夠的滑移量并設(shè)置限位措施，防止連接體在強(qiáng)震下跌落。

本文通過工程實例，采用一種弱連接的方式，由內(nèi)力和位移計算結(jié)果，根據(jù)實際情況，選用具有隔震性能的鉛芯橡膠支座。

1　工程概況

本工程位于福建省廈門市思明區(qū)，建筑物地下3層，地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，地上有南、北2個塔樓組成，北塔樓29層，總建筑高度126.6m，南塔樓25層，總建筑高度99.6m，框架核心筒結(jié)構(gòu)體系，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計基本地震加速度為0.15g，設(shè)計地震分組屬第1組，建筑物場地類別為Ⅰ1類，核心筒及框架抗震等級均為二級，基本風(fēng)壓0.8kN/m2，本工程地形北高南低，南北塔錯層，在南塔3層設(shè)置有大空間多功能會議室與北塔樓相連，即在南北樓3層和4層標(biāo)高處分別設(shè)置了連接體，連接體高度6m，寬度為20.5～23.6m，跨度為15.8m，建筑效果圖見圖1。

2　連接體設(shè)計分析

2.1連接方式選擇

因為本項目兩塔樓建筑體型、平面布置、樓高和層高均不一致，連接部位偏置，以及連接部位在較低位置的3、4層裙樓處，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010連體結(jié)構(gòu)的概念，本工程不屬于連體結(jié)構(gòu)范疇，且為盡量減小在風(fēng)效應(yīng)和地震作用下兩棟樓之間的相互作用，并改善整體結(jié)構(gòu)性能，將上部劃分為獨立的2個結(jié)構(gòu)單元，同時避免結(jié)構(gòu)成為超限高層，連接處擬采用弱連接的隔震支座，并且考慮支座在水平力作用下能夠恢復(fù) ，兩端均采用鉛芯橡膠支座。

鉛芯橡膠支座 ( Lead RubberBearing，簡稱 LRB)如圖2所示，是在普通天然橡膠支座的中心插入鉛芯，以改善橡膠支座阻尼性能的一種減震支座。鉛芯橡膠支座除能承受結(jié)構(gòu)的豎向力和水平力外，鉛芯產(chǎn)生的滯后阻尼的塑性變形還能吸收地震能量，并可通過橡膠提供水平恢復(fù)力。

2.2鉛芯橡膠支座初選

支座的設(shè)計主要是其變形量的計算，支座變形量應(yīng)能滿足兩個方向在罕遇地震作用下的位移要求。罕遇地震作用下的位移要求，應(yīng)采用時程分析方法進(jìn)行計算復(fù)核。連接體與周邊結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置隔離縫，縫寬不宜小于隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移值的1.2倍且不小于200mm。以南樓離地高度來算，四層連廊處的高度為15m，多遇地震下，框架核心筒的彈性層間位移角限值為1/800，南樓4層連廊處位移Δ=15 000/800=18.75mm，假設(shè)兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)在地震作用下最不利最大變形同時到達(dá)，則兩棟樓間的位移為2×18.75=37.5mm，罕遇地震作用下，根據(jù)地震安全性評價報告提供的場地設(shè)計地震動反應(yīng)譜譜形參數(shù)值(阻尼比為 0.05 )，小震時水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.138,大震時水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.775，0.775/0.138=5.62，按5.62倍多遇地震作用，△′=5.62×37.5=210.75mm，即取連廊支座可滑移量不應(yīng)小于210.75mm，根據(jù)廠家提供的鉛芯(LRB)建筑隔震支座性能參數(shù)，LRB400在罕遇地震作用下隔震支座的位移限值為△=0.55D=0.55×400=220mm>210.75mm，同時，橡膠層總厚t=78.38mm,3t=235.14mm>210.75mm，滿足要求。LRB400鉛芯支座主要參數(shù)如表1所示。

表1　LRB400鉛芯支座主要參數(shù)

2.3彈性分析計算

根據(jù)初步選取的支座型號，采用盈建科(YJK)結(jié)構(gòu)分析軟件，建立了獨立計算模型和整體計算模型(見圖3)，獨立計算模型中南樓、北樓單獨建模計算，連接體部分按荷載輸入，整體計算模型中南樓、北樓和連接體部分整體建模計算，連體部分隔震支座采用連接單元建模(見圖4)，支座參數(shù)按實際輸入。

2.3.1風(fēng)荷載作用下計算

基本風(fēng)壓為0.80kN/m2，地面粗糙度類別為A類，圍護(hù)結(jié)構(gòu)高度按12.0m。計算結(jié)果如表2所示。

表2　風(fēng)荷載作用下計算結(jié)果

風(fēng)荷載作用下，單個支座受到的水平力VRW為300×1.4/16=26.25kN，小于支座的彈性恢復(fù)力K100×t=0.92×78.38=72.10kN,且小于屈服力，處于彈性狀態(tài)。其中K100為隔震支座在水平剪切應(yīng)變100%時的水平有效剛度，t為橡膠總厚度。

2.3.2多遇地震下的振型分解反應(yīng)譜法計算

對結(jié)構(gòu)自振周期、地震作用和風(fēng)荷載下底部總剪力進(jìn)行了比較。經(jīng)對比分析可知，主體結(jié)構(gòu)在整體計算與獨立計算中，兩者差異很小，也即可以認(rèn)為連接體部分無法起到協(xié)調(diào)兩者變形的作用，南、北樓可以單獨計算，包絡(luò)設(shè)計[2]。

對連廊支座情況，X、Y向的單向地震及雙向地震，αmax=0.138時,反應(yīng)譜分析的小震作用下支座的最大剪切變形值如表3所示。

表3　小震作用下支座的最大剪切變形值　mm

其中X向地震作用下最大剪切變形的支座為Link9，水平剪力為22.9kN；Y向地震作用下最大的剪切變形的支座為Link8，水平剪力為23.5kN。

2.3.3多遇地震下的彈性時程補(bǔ)充計算

選用3組地震波，一組為與設(shè)計目標(biāo)反應(yīng)譜相符的人工模擬加速度時程，其余2組為真實強(qiáng)震加速度記錄。對所用地震波的時程以及其所得到的反應(yīng)譜曲線(見圖5～圖8)，并與目標(biāo)反應(yīng)譜進(jìn)行對比。所選用的地震時程記錄幅值與持續(xù)時間均滿足規(guī)范要求，所得到的反應(yīng)譜曲線與目標(biāo)反應(yīng)譜曲線的相符程度也是令人滿意的。

輸入地震波的加速度峰值取為55cm/s2，選擇Chi-Chi, Taiwan-06_NO_3276波、TH4TG045波和ArtWave-RH1TG045，特征周期Tg為0.45s的地震波，地震波長為0.005s和0.02s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05s，持續(xù)時間不少于30s。

上述3條時程曲線中每條時程曲線計算所得到的結(jié)構(gòu)基底剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，且3條時程曲線計算所得到的結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%，滿足規(guī)范要求。

以下為選用Chi-Chi, Taiwan-06_NO_3276波的作用下，鉛芯橡膠支座變形情況。

其中Link1為X向剪切變形最大的支座，Link2為Y向剪切變形最大的支座。

2.3.4彈性計算分析結(jié)論

由以上分析可見，反應(yīng)譜分析時，支座最大的剪切變形為Y向28.40mm，水平剪力為23.5kN，處于彈性范圍內(nèi)，滿足小震彈性的設(shè)計要求；彈性時程分析時，在Chi-Chi, Taiwan-06_NO_3276波雙向地震作用下，16個鉛芯橡膠支座中X向水平剪力最大值為42.50 kN,X向水平剪切變形最大值為46.65mm，Y向水平剪力最大值為39.79 kN,Y向水平剪切變形最大值為45.00mm，所有橡膠支座處于彈性恢復(fù)范圍內(nèi)，滿足小震彈性的設(shè)計要求(詳見表4)。

表4　支座的最大剪切變形值　mm

2.4非線性分析和地震評價

為驗算連接體在罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能，本文采用YJK-EPD軟件，按照動力彈塑性時程分析方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析，考察其宏觀抗震性能及塑性鉸的形成規(guī)律，確定大震下隔震支座剪切變形是否滿足抗震性能對其的設(shè)計要求。表5、表6分別為南、北樓整體計算時三、四層的最大層間位移角和隔震支座處的最大位移。

表5　南樓YJK整體計算

表6　北樓YJK整體計算

結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下對連接體結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時程動力分析，采用T021地震波，加速度峰值取為310cm/s2，鉛芯橡膠支座的變形情況見表7。

表7　大震作用下支座的最大剪切變形值　mm

其中Link9為X向剪切變形最大的支座，Link1為Y向剪切變形最大的支座。

由以上分析可知，連接單元彈塑性時程動力時程分析時，在大震雙向地震作用下，16個鉛芯橡膠支座中支座X向水平剪力最大值為85.0kN，X向水平位移最大值為127.54mm，Y向水平剪力最大值為90.0kN,Y向水平位移最大值為128.63mm，柔性支座進(jìn)入塑性狀態(tài)，但小于3t，t為橡膠層總厚78.38mm，且小于0.55D，D為LRB400有效直徑，D=400mm，滿足設(shè)計要求。而且，水平剪力-水平剪切變形滯回曲線飽滿，隔震耗能效果較好(詳見圖9，圖10)。

2.5舒適度驗算

按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010[3]中3.4.6條和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010[4]中3.7.7條的要求，樓板的最低階固有頻率必須滿足一定的限值(住宅和公寓不宜低于5Hz，辦公樓和旅館不宜低于4Hz，大跨度公共建筑不宜低于3Hz)，否則需進(jìn)行動力學(xué)時程分析判斷其最大加速度響應(yīng)是否滿足要求。本工程連廊主梁跨度15.8m，主梁為鋼梁(BH1000×400×18×20)，高跨比約 1/16，兩端鉸接，樓板采用1.2mm鍍鋅壓型鋼板與鋼筋混凝土組合樓板，厚度為150mm。采用PKPM中的SLABFIT模塊，利用該模塊，可以對復(fù)雜樓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行自振模態(tài)分析和動力學(xué)時程分析。SLABFIT 模塊接力 PKPM 系列軟件中的PMCAD 模塊進(jìn)行計算，以單層樓面結(jié)構(gòu)作為分析對象，基本思路為：選取 PMCAD 中的一個樓層作為分析模型，將與樓板相連的墻、柱簡化為彈性支座，對樓板施加動力荷載(包括固定荷載和移動荷載)，計算樓板的自振模態(tài)和動力學(xué)時程響應(yīng)，根據(jù)第一自振頻率和最大加速度響應(yīng)來判斷樓板是否滿足規(guī)范給定的舒適度要求。經(jīng)計算得到的模態(tài)分析結(jié)果如圖11所示，豎向主頻第一階為4.78Hz，可滿足舒適度要求。

對于一般工程，可采用最低固有頻率作為樓板舒適度的控制指標(biāo)，因為按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010[4]中3.4.6條和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010中3.7.7條的相關(guān)規(guī)定，只要樓板的最低頻率大于最低頻率限值，通常便可認(rèn)為該樓板已滿足舒適度要求，對于某些特殊工程(如舞廳、健身房、體育場館、天橋等)，建議采用加速度響應(yīng)作為輔助控制指標(biāo)，也就是說，在已滿足最低固有頻率規(guī)范限值的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計算其動力響應(yīng)，判斷其最大加速度是否滿足規(guī)范要求。

3　結(jié)語

對應(yīng)復(fù)雜連接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計需根據(jù)連接體的跨度、剛度等選擇合適的連接方案并進(jìn)行相應(yīng)的分析。對應(yīng)每一種方案，均需做到計算簡圖明確，傳力路徑合理而且完整，有足夠的承載力和變形耗能能力。同時，連接體一般屬于較大跨度樓蓋結(jié)構(gòu)，設(shè)計時應(yīng)注意樓蓋舒適度的驗算。

[1]傅學(xué)怡.一種新型連體-鉸接連體結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].第二十三屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文,2014.

[2]徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社.2005.

[3]GB 50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

黃運(yùn)財(1981.11-)，男 ，碩士，結(jié)構(gòu)工程師。

Connection design of a high rise structure

HUANGYuncai

(Xiamen Ruida Real Estate Co.Ltd,Xiamen 361000)

The connected building is a high-rise building with complex and force.The connection is a key part to ersure its safety under earthquake load. In this paper, combined with the engineering example reference structure design method, a simple discussion on the design process of a high-rise structure connecting body and the method of calculation of the connection body floor comfort.

Connection; Lead rubber bearing; Deformation amount; Floor comfort

黃運(yùn)財(1981.11-)，男 ，工程師。

E-mail:18963835@QQ.COM

2016-01-18

TU973

A

1004-6135(2016)02-0060-05