鄭智輝

(廈門上城建筑設(shè)計(jì)有限公司 福建廈門 361012)

0 引言

連體高層結(jié)構(gòu)由兩個(gè)或兩個(gè)以上的塔樓和它們的連接體所組成，是一種復(fù)雜的高層建筑結(jié)構(gòu)。當(dāng)風(fēng)或地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)除產(chǎn)生平動(dòng)變形外，還會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)隨塔樓的不對(duì)稱性的增加而加劇[1]。連接體及其與兩側(cè)塔樓的支座連接是連體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題，均應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析與設(shè)計(jì)。本文以上海中駿·天悅1#、2#樓高層辦公樓為例，介紹連體高層結(jié)構(gòu)的抗震分析與設(shè)計(jì)。

1 工程概況

中駿·天悅1#、2#樓高層辦公樓位于上海市，共21層，高度為96.850m，主要層高為4.2m及4.4m，設(shè)2層地下室。2棟樓呈鏡像布置，第15～18層通過三層鋼結(jié)構(gòu)連接體聯(lián)系在一起。主要結(jié)構(gòu)平面圖及立剖面見圖1～圖2。

建筑平面電梯筒偏置，且外圍框架未完全圍合，因此采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)長寬比較大，豎向構(gòu)件偏心受拉情況明顯，局部采用型鋼混凝土構(gòu)件。

該工程設(shè)計(jì)使用年限50年，設(shè)防烈度為7度(0.10g)，地震分組第一組?；撅L(fēng)壓為0.55kN/m2，地面粗糙度類別為C類。項(xiàng)目存在連體、剛度突變、樓板不連續(xù)、承載力突變及穿層柱幾項(xiàng)不規(guī)則情況，結(jié)構(gòu)連體是該工程能否具有良好的抗震性能主要問題。

2 結(jié)構(gòu)布置

主要豎向構(gòu)件布置：外圍框架柱主要截面1000×1400，向上逐漸減少，并在下部樓層及連體樓層的柱內(nèi)加設(shè)型鋼。中間的剪力墻基本圍合成兩個(gè)“小筒”，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻內(nèi)局部設(shè)置型鋼。對(duì)于總體來說，加強(qiáng)兩側(cè)豎向構(gòu)件，適當(dāng)削弱中部，以利于結(jié)構(gòu)的抗扭性能。

梁系布置：與框架柱相連的Y向框架梁截面主要為600×800；南側(cè)X向框架梁加高為600×1000；結(jié)構(gòu)連梁高度大部分均控制在600mm以內(nèi)。如此設(shè)置有利于調(diào)整豎向構(gòu)件偏心布置帶來的剛心偏置的問題。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

該工程的難點(diǎn)在于“A塔樓與B塔樓之間連接部位的合理結(jié)構(gòu)選型”。塔樓連接體位于65m～78m高空，為減輕連接體自重，采用鋼結(jié)構(gòu)。如果連接體與主塔樓采用弱連接，由于在高位連體，抗震縫較寬，無論從建筑還是結(jié)構(gòu)方面，該抗震縫均會(huì)帶來相應(yīng)的問題，并且考慮到兩側(cè)塔樓平面基本對(duì)稱，受力變形均勻，因此對(duì)連接體與塔樓間的連接按強(qiáng)連接設(shè)計(jì)。

連接體跨度29m，初步考慮采用鋼桁架的結(jié)構(gòu)型式，備選方案有：連體底層普通桁架，疊層空腹桁架及疊層混合空腹桁架3種型式。綜合考慮，該工程選擇了疊層混合空腹桁架，將空腹桁架與帶斜腹桿桁架結(jié)合起來，以斜腹桿來抵抗剪切變形，如圖3所示。

圖2 立面及剖面圖 圖3 疊層混合空腹桁架

連接體布置：15～18層三層鋼結(jié)構(gòu)連接體跨度約29m，通過4層弦桿、兩排豎腹桿及兩排斜腹桿整體組成疊層混合空腹桁架，主要桿件為900×600×35×35的方鋼管及900×700×20×50的H型鋼。

連體部位樓板采用鋼筋桁架樓承板，頂層及底層板厚180mm，中間層板厚150mm。

3 地基基礎(chǔ)

綜合考慮上部建筑物荷載、工程地質(zhì)條件及周圍環(huán)境，主樓基礎(chǔ)擬采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁，選擇灰色粘土層作為樁端持力層。

由于采用剛性連接的連體結(jié)構(gòu)對(duì)沉降差異很敏感，減少沉降差異的關(guān)鍵還是要減少絕對(duì)沉降。根據(jù)《上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]進(jìn)行沉降計(jì)算，并補(bǔ)充實(shí)體等代法進(jìn)行校核，控制樁基中心計(jì)算沉降量在70mm以內(nèi)，建筑傾斜不大于0.004。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

彈性計(jì)算分析采用YJK作為主要計(jì)算分析軟件，并同時(shí)采用MIDAS/Building對(duì)YJK分析結(jié)果進(jìn)行校核。另外，根據(jù)表1的分類對(duì)結(jié)構(gòu)補(bǔ)充進(jìn)行時(shí)程分析及性能設(shè)計(jì)。

表1 分析項(xiàng)目及步驟

4.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮的問題

4.1.1多塔及風(fēng)荷載

整體計(jì)算時(shí)，采用分塊剛性模型，除2、15、16、17、18樓層為一個(gè)剛性塊外，其他樓層均采用兩個(gè)剛性塊，具體分塔情況如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)模型分塔示意圖

多塔模型可以合理考慮其連體結(jié)構(gòu)立面開洞對(duì)迎風(fēng)面的影響，但是該項(xiàng)目?jī)蓷潣情g距較近，因此，特別考慮風(fēng)力的相互干擾。根據(jù)文獻(xiàn)[3]計(jì)算，風(fēng)荷載體型系數(shù)應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)。

4.1.2施工次序

盡管該項(xiàng)目?jī)伤瞧矫娌贾没緦?duì)稱，但考慮到建筑場(chǎng)地位于上海，建筑物建于軟土地區(qū)之上，仍慎重考慮兩塔樓的差異沉降帶來的影響。

因此，設(shè)計(jì)要求待連接體兩側(cè)塔樓主體結(jié)構(gòu)封頂后(連體部位預(yù)留連接節(jié)點(diǎn))，再進(jìn)行連體結(jié)構(gòu)的吊裝和施工。設(shè)計(jì)按連體結(jié)構(gòu)實(shí)際的施工次序予以計(jì)算。

4.2 抗震超限情況及措施

該工程存在連體、剛度突變、樓板不連續(xù)、承載力突變及穿層柱幾項(xiàng)不規(guī)則情況，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4]的要求，綜合考慮各項(xiàng)因素后，設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)提出性能目標(biāo)要求，并針對(duì)該工程的薄弱環(huán)節(jié)采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施，具體如表2所示。

表2 針對(duì)該工程薄弱環(huán)節(jié)的加強(qiáng)措施

4.3 結(jié)構(gòu)分析的主要設(shè)計(jì)結(jié)果

4.3.1小震CQC彈性分析

小震CQC彈性分析結(jié)果表明，兩種軟件計(jì)算結(jié)果比較吻合，周期、位移、剪重比等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

整體模型的第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比約為0.85，滿足規(guī)范相關(guān)要求，表明連體結(jié)構(gòu)具備合適的抗扭剛度。圖5為結(jié)構(gòu)前6階振型的振型圖，由于整體為對(duì)稱連體結(jié)構(gòu)，振型基本具有對(duì)稱性(正對(duì)稱或反對(duì)稱)。這種同向或反向的振型，對(duì)于結(jié)構(gòu)上部采用剛性連接的連體結(jié)構(gòu)，其對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響有利。

振型1(Y向平動(dòng)) 振型2(X向平動(dòng)) 振型3(整體扭轉(zhuǎn))

振型4(分塔X向平動(dòng)) 振型5(分塔Y向平動(dòng)) 振型6(分塔扭轉(zhuǎn))圖5 結(jié)構(gòu)振型圖(前6階)

由圖5可見，各樓層剛度比及受剪承載力在以下部位變化較大：(1)結(jié)構(gòu)底層(上下層高相差大)；(2)第15～18層連體樓層。針對(duì)以上部位，采取地震作用剪力放大1.25倍的方式予以加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

4.3.2小震彈性時(shí)程分析

該項(xiàng)目采用上海市抗震設(shè)計(jì)規(guī)程[5]中提供的地震波進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)中對(duì)時(shí)程分析中結(jié)果超過CQC的樓層地震剪力予以放大，放大系數(shù)約為1.01～1.20。

4.3.3中震下構(gòu)件性能設(shè)計(jì)

在評(píng)估結(jié)構(gòu)及構(gòu)件對(duì)應(yīng)于中震的性能目標(biāo)時(shí)，仍然采用規(guī)范提供的振型分解反應(yīng)譜法。

(1)底部加強(qiáng)部位豎向構(gòu)件按“中震抗剪彈性、抗彎不屈服”復(fù)核，后續(xù)設(shè)計(jì)中通過提高剪力墻豎向分布筋配筋率、增設(shè)型鋼等方式以滿足該性能目標(biāo)要求。針對(duì)中震下出現(xiàn)小偏心受拉剪力墻肢，采用在墻內(nèi)布置型鋼及鋼板。

(2)連接體節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析，根據(jù)前述“構(gòu)件性能目標(biāo)”要求，連接體節(jié)點(diǎn)保持“中震彈性”，控制鋼桁架構(gòu)件在整體模型計(jì)算下應(yīng)力比不大于0.85(考慮樓板可能開裂失效，按板厚為0計(jì)算)。另外，將連接體節(jié)點(diǎn)建立有限元分析模型(Midas/FEA)，根據(jù)中震各工況的內(nèi)力，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析。

連接體桁架斜桿上節(jié)點(diǎn)為全鋼節(jié)點(diǎn)按中震作用下彈性分析；連接體桁架斜桿下節(jié)點(diǎn)為鋼與鋼筋混凝土組合節(jié)點(diǎn)，按中震作用下考慮材料的非線性及幾何非線性計(jì)算。

圖6 桁架上節(jié)點(diǎn)的Mise 應(yīng)力圖

圖7 鋼構(gòu)件Mise應(yīng)力(左圖)及混凝土受拉損傷情況(右圖)

從圖6中可知，鋼構(gòu)件節(jié)點(diǎn)區(qū)域的VonMises應(yīng)力大部分均小于300MPa，整體上節(jié)點(diǎn)承載力滿足“中震彈性”的要求。

圖7左圖顯示的是型鋼及鋼構(gòu)件Mises應(yīng)力大于315MPa的部分，僅局部區(qū)域(水平鋼梁與型鋼柱、斜桿交接處)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力達(dá)到450MPa左右；根據(jù)圖7右圖所示，混凝土受拉區(qū)混凝土的開裂損傷情況也較小。

采用Midas/FEA對(duì)連接體桁架斜桿上下節(jié)點(diǎn)的有限元分析，可知節(jié)點(diǎn)的承載力滿足“中震彈性”的性能目標(biāo)。

4.3.4連接體部位補(bǔ)充分析

(1)豎向地震作用分析

該工程兩塔樓在距地面高度65m～78m范圍存在約29m跨度的局部連體結(jié)構(gòu)，大于規(guī)范大跨度24m限值。因此，對(duì)連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向地震作用驗(yàn)算。

(2)樓板應(yīng)力分析

連接體樓板(特別是上、下弦所在樓板)及與其相鄰的塔樓樓板，受力較復(fù)雜，整體模型計(jì)算時(shí)，該部分樓板定義為彈性樓板。

對(duì)該樓板進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，要求多遇地震下樓板拉應(yīng)力不大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk，中震下樓板鋼筋拉應(yīng)力不大于鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。連接體頂部、底部及相鄰一跨樓板厚取180mm，連接體樓層其余板厚取150mm，雙層雙向配筋率均不小于0.3%，并根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果局部附加板筋。

連體樓層結(jié)構(gòu)長度超過結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距，但連接體樓板在兩側(cè)塔樓施工完成一段時(shí)間后澆筑，此時(shí)塔樓樓板溫度變形已釋放較多。經(jīng)驗(yàn)算，該工程連接體樓板封閉后溫度應(yīng)力對(duì)樓板配筋不起控制作用。

(3)樓板舒適度分析

連接體樓蓋的功能主要為辦公室(無振動(dòng)荷載)，根據(jù)PKPM軟件的SLABFIT模塊分析，樓蓋能滿足舒適度的要求。

4.3.5大震動(dòng)力彈塑性分析

在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出非線性行為并引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布，該工程采用Building進(jìn)行罕遇地震作用下彈塑性分析。

罕遇地震波計(jì)算結(jié)果得到的基底剪力與小震彈性計(jì)算結(jié)果的比值約3.5倍，基本處于合理范圍。結(jié)構(gòu)在地震作用X向、Y向的最大層間位移角最大值分別為1/127、1/117，均小于規(guī)范規(guī)定的1/100限值。

該工程主要考察連接體部位在罕遇地震作用下的情況，選取上海地震波中基底剪力較大的結(jié)果進(jìn)行分析討論，框架鉸結(jié)果如圖8所示。

計(jì)算結(jié)果表明，連接體部位在罕遇地震作用下，均未出鉸，仍然保持彈性狀態(tài)。因此，連接體部位鋼結(jié)構(gòu)滿足罕遇地震作用下不屈服的性能目標(biāo)。

圖8 地震波作用下框架鉸結(jié)果(25s)

5 結(jié)語

該工程1#、2#辦公樓主體為雙塔高位連體高層結(jié)構(gòu)，屬于超限高層建筑。為保證其滿足不同性能水準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求，在結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)上進(jìn)行了多方案的對(duì)比分析，主要如下：

(1)該工程連體部位采用鋼結(jié)構(gòu)疊層混合空腹桁架的型式，與兩側(cè)塔樓主體結(jié)構(gòu)“強(qiáng)連接”。

(2)采用YJK、MIDAS兩種不同設(shè)計(jì)軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)及單塔模型進(jìn)行深入分析對(duì)比，主要內(nèi)容如下：

①小震和風(fēng)荷載彈性分析——主要包括自振特性、剪重比、樓層位移、樓層剛度和受剪承載力，計(jì)算結(jié)果均符合規(guī)范要求；

②中震分析——主要包括樓層位移整體指標(biāo)、底層加強(qiáng)部位和連體結(jié)構(gòu)的局部指標(biāo)(中震彈性)均滿足性能目標(biāo)要求；

③對(duì)連接體結(jié)構(gòu)構(gòu)件按大震不屈服復(fù)核；采用MIDAS Building軟件進(jìn)行大震動(dòng)力彈塑性分析結(jié)構(gòu)整體性能和構(gòu)件變形性能；

④連體部位細(xì)化分析——主要包括節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析、豎向地震作用和樓板分析。

該工程屬于超限高層建筑，由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取了合理的結(jié)構(gòu)布置，對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱部位進(jìn)行了加強(qiáng)以及性能化設(shè)計(jì)，并采用型鋼混凝土構(gòu)件，使得結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。