張 葳

(同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

1 連體結(jié)構(gòu)介紹

連體結(jié)構(gòu)指除裙房以外，兩個或多個塔樓之間帶有連接體的結(jié)構(gòu)。其屬于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，因此在分析設(shè)計過程中，需采用合理的計算模型和有效的構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)安全可靠。

2 連體結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

2.1 塔樓部分

根據(jù)高規(guī)要求，連體結(jié)構(gòu)各獨立部分宜有相同或相近的體型、平面布置和剛度，宜采用雙軸對稱的平面形式。在方案階段應(yīng)按此原則控制，盡可能選擇相似的塔樓形體[1]。當受限建筑布置無法滿足時，結(jié)構(gòu)應(yīng)采取措施來使各塔樓剛度接近，同時應(yīng)增強各塔樓自身的抗側(cè)和扭轉(zhuǎn)剛度。

連體結(jié)構(gòu)存在大量的參與系數(shù)很小低階振型，在計算時應(yīng)注意選擇足夠多的振型來滿足設(shè)計的精度要求[2]。同時應(yīng)補充單個塔樓的計算，確保連體失效后，塔樓可以獨立承擔(dān)地震作用不致發(fā)生嚴重破壞。

2.2 連體部分

2.2.1連接體桁架形式

連接體可以采用斜腹桁架或空腹桁架等形式。比較而言，斜腹桁架傳力路徑明確，弦腹桿受力均勻，構(gòu)件以軸向受力為主，而空腹桁架相反，構(gòu)件軸力小、彎矩大。在相同的安全儲備下，空腹桁架用鋼量比斜腹桁架大很多，因此在建筑允許條件下，優(yōu)先采用斜腹桁架更加經(jīng)濟合理[3]。

2.2.2連體結(jié)構(gòu)的連接

連接體與塔樓的連接主要分為強連接和弱連接。

強連接一般用于剛度大跨度大的連接體，連接體與塔樓剛接，有利于連接體和塔樓的協(xié)同工作。弱連接更適用于剛度小跨度小的連接體，通長連接體一端與塔樓鉸接，一端做成滑動支座或兩端均做成滑動支座，減弱連接體和塔樓之間的相互作用。

強連接的弊端在于溫度應(yīng)力和由于塔樓不均勻沉降導(dǎo)致的附加應(yīng)力難以消釋。而采用弱連接結(jié)構(gòu)形式能夠通過支座變形減弱塔樓與連接體之間的作用力，但需要在支座處預(yù)留足夠的滑移量(可采用時程分析方法)以阻止地震作用下與塔樓碰撞和甚至墜落。

應(yīng)根據(jù)塔樓與連接體之間的特點，選擇合適的連接形式。一般而言，強連接在結(jié)構(gòu)分析和構(gòu)造上更簡單，應(yīng)優(yōu)先采用。當強連接無法滿足設(shè)計需求時，可采用弱連接。

2.2.3連接體的計算流程

在實際設(shè)計過程中，可先單獨進行連接體建模，驗算在靜力荷載下連接體的內(nèi)力和變形，同時優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件的尺寸，然后代入整體結(jié)構(gòu)，進行動力荷載的分析，驗算整體結(jié)構(gòu)的指標和連接體的抗震性能。需注意連接體所處樓層應(yīng)按照薄弱層處理，同時為保證計算模型可靠，應(yīng)采用至少兩個基于不同力學(xué)模型的三維空間結(jié)構(gòu)分析軟件進行整體內(nèi)力和位移的計算。

2.2.4風(fēng)荷載及舒適度計算

對于連體結(jié)構(gòu)，需尤為關(guān)注抗風(fēng)設(shè)計，否則在強風(fēng)作用下，連體變形過大或振感明顯，將嚴重影響使用體驗。特別對于超高層中的連體結(jié)構(gòu)，周邊環(huán)境復(fù)雜，建筑間距小，相互干擾效應(yīng)明顯，必要時，需進行風(fēng)洞試驗，確定用于設(shè)計的風(fēng)荷載。

連接體的自振頻率可由結(jié)構(gòu)分析軟件直接算出。峰值加速的計算一般需根據(jù)連接體的使用功能，確定相應(yīng)的動荷載，然后根據(jù)高規(guī)附錄A中的簡化方法或直接在計算模型中施加荷載計算得到[1]。當指標不滿足規(guī)范時，一般可采用改變連接體的自重、調(diào)整剛度以及增大阻尼等措施滿足舒適度設(shè)計的要求。

另外在連接體的樓板平面內(nèi)設(shè)置水平交叉支撐桿能有效的增強其水平抗側(cè)剛度。該措施能夠使得弦桿、支撐與樓板共同傳遞水平力，增強連接體的整體抗彎性能、抗剪性能以及軸向變形能力，同時使實際結(jié)構(gòu)更符合分析模型中的剛性板假定。

2.2.5豎向地震計算

連接體一般位于高層建筑的較高位置，跨度較大，豎向地震作用明顯，現(xiàn)有的震害資料也表明，連接體的破壞與豎向地震作用密不可分，因此宜采用豎向地震反應(yīng)譜法以及豎向地震時程分析法計算其豎向地震作用。

2.2.6抗震構(gòu)造措施

連接體以及與連接體相連的構(gòu)件受力復(fù)雜，在地震作用下，易形成薄弱部位，設(shè)計時必須予以加強，提高其承載力和延性?？蓞⒄崭邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中10.5條的要求，加強連接體及相關(guān)構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施[1]。

對于較為復(fù)雜的超限高層結(jié)構(gòu)，可根據(jù)建筑的重要程度、經(jīng)濟性等要求，對關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件以及耗能構(gòu)件進行性能化設(shè)計。連接體的樓板作為關(guān)鍵的傳遞水平力構(gòu)件，應(yīng)控制彈性板中的主拉應(yīng)力：在小震標準組合下樓板主拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強度標準值，保證樓板不開裂；在中震標準組合下樓板內(nèi)鋼筋不屈服，保證樓板不斷裂。

3 連體結(jié)構(gòu)的案例分析

3.1 工程介紹

工程位于深圳市，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類別(乙類)。場地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期0.35 s，多遇地震下結(jié)構(gòu)的阻尼比取為0.05。地下室層數(shù)為2層，平臺中心由兩棟15層高的塔樓組成，總結(jié)構(gòu)高度為76 m，兩塔樓在1層、2層通過裙房連接，同時在8層、9層設(shè)置空中連接體。塔樓采用鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，抗震等級為一級；連接體采用鋼框架，抗震等級為二級，嵌固于地下室頂板。本工程屬于超限高層建筑結(jié)構(gòu)。

綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)特殊性、建造費用、以及震后損失程度等各項因素，塔樓抗震性能目標整體定為D類，對關(guān)鍵構(gòu)件定為C類。

連體部位框架柱抗震構(gòu)造措施提高至特一級、桁架為一級。連接空腹桁架的框架柱抗震構(gòu)造措施提高至特一級?？崭硅旒芷溆嗖糠譃橐患?。對8層～10層連體部位相關(guān)的鋼桁架及相鄰一跨框架提出的性能目標為小震受彎、受剪彈性，中震受彎、受剪彈性，大震不屈服。

3.2 整體計算

采用YJK及MIDAS BUILDING進行分析校核。分析時采用振型分解反應(yīng)譜法計算地震作用，并考慮了偶然偏心和雙向地震作用，采用CQC法進行振型組合。計算得到：結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)為Y向平動，第二階模態(tài)為X向平動，第三階模態(tài)為扭轉(zhuǎn)振型。在多遇地震下，層間位移角部分結(jié)果有極小偏差，但變化規(guī)律、基本形態(tài)均相同(見圖1)。

3.3 連接體計算

3.3.1連接體布置

整個連接平臺豎向?qū)挾?0 m，跨度為29.4 m，沿跨度方向南北兩側(cè)布置兩道主桁架，中間由于開洞和使用功能要求，采用空腹桁架，桁架間距為8.4 m。主桁架上弦桿采用H1 200×500×30×60，中弦桿采用H1 500×500×40×60，下弦桿采用H900×500×200，斜腹桿采用箱型700×500×50×50，豎腹桿采用箱型500×500×50×50(見圖2)，均采用Q390GJ鋼材。連接體板厚h=150 mm。

由于連接體跨度達29.4 m，負載面積大，且考慮到在風(fēng)荷載及地震作用下相對變形大，支座處的拉力與剪力過大，因此鋼桁架與塔樓采用強連接的連接形式。鋼桁架弦桿通過與兩端混凝土柱中的鋼骨等強焊接形成剛接。

3.3.2樓板設(shè)計

計算結(jié)果顯示，各樓層樓板除在局部樓板應(yīng)力集中處外，在小震標準工況下的主拉應(yīng)力均小于2.01 MPa，8層連體部位局部應(yīng)力略大于2.01 MPa，可考慮將8層～10層連體部位及相鄰一跨處樓板混凝土強度等級提高至C40，使其能夠滿足小震彈性的性能目標。根據(jù)中震下計算得到的最大主拉應(yīng)力設(shè)計樓板配筋，使樓板滿足中震不屈服的性能目標。

3.3.3舒適度驗算

連接體根據(jù)計算結(jié)果顯示自振頻率為3.42 Hz，滿足規(guī)范要求的不小于3 Hz；連接體主要的建筑功能為辦公休閑區(qū)，荷載激勵主要為人行走荷載，計算得到的豎向振動加速度峰值為0.036 m/s2，滿足規(guī)范要求的不大于0.05 m/s2。

3.3.4豎向地震驗算

補充了小震下連體桁架弦桿的最大豎向地震作用效應(yīng)與重力荷載效應(yīng)比值，并且補充了小震與中震的彈性時程分析，統(tǒng)計了大跨桁架中最不利點在地震作用下的位移，并與CQC法進行比較。計算顯示：小震下桁架最不利點的最大豎向位移為5.51 mm，撓度為1/5 335；中震下桁架最不利點的最大豎向位移為15.78 mm，撓度為1/1 863。均滿足規(guī)范對結(jié)構(gòu)變形的限值。

4 結(jié)語

連體結(jié)構(gòu)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特性，應(yīng)注重塔樓自身的抗側(cè)、抗扭設(shè)計，連接體作為關(guān)鍵構(gòu)件，應(yīng)結(jié)合形體、功能、經(jīng)濟性等要求選擇合理的桁架形式以及與塔樓的連接方式，同時需對其進行抗震、抗風(fēng)、抗連續(xù)性倒塌、舒適度等性能驗算，并提高與之連接構(gòu)件的構(gòu)造措施，確保連接體與塔樓協(xié)調(diào)工作。