劉權(quán) 鄧方 何黎陽

中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 湖南 長沙 410000

引言

所謂高層連體結(jié)構(gòu)，是指兩個(gè)及以上塔樓連接構(gòu)成的復(fù)雜型建筑結(jié)構(gòu)類型，若遇風(fēng)或地震災(zāi)害，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生平動(dòng)變形，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形；若塔樓不對(duì)稱，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)更為顯著。實(shí)踐表明，地震區(qū)域連體結(jié)構(gòu)建筑破壞嚴(yán)重，尤其是主體結(jié)構(gòu)高度不一或者體型不同時(shí)，結(jié)構(gòu)損壞更為嚴(yán)重。為此，需基于高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特征編制專項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對(duì)連接體、兩側(cè)塔樓的支座連接等關(guān)鍵位置進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算與分析，確定合理參數(shù)。

1 高層建筑連體結(jié)構(gòu)組成

按照結(jié)構(gòu)形式，連體結(jié)構(gòu)分為框架、框架—剪力墻、框架—核心筒、筒中筒等形式，應(yīng)用較多的為鋼管混凝土框架＋核心鋼板剪力墻體系；按照建筑材料，連體結(jié)構(gòu)分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)等；按照塔樓連接的空間關(guān)系，連體結(jié)構(gòu)可分為無剛臂、單剛臂、多剛臂體系等。無論何種結(jié)構(gòu)形式，其組成主要為塔樓、連體、大底盤等。

（1）塔樓。塔樓與單體建筑差異較小，主要分為框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)或筒體結(jié)構(gòu)等。若各塔樓高度、平面布置、剛度等相同，則為對(duì)稱連體結(jié)構(gòu)，若不同則為非對(duì)稱連體結(jié)構(gòu)[1]。非對(duì)稱塔樓中各單體剛度、阻尼等均關(guān)系到連體結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能。

（2）連接體。連接體是高層連體結(jié)構(gòu)的主要組成部分，使用功能多為連廊、觀光區(qū)與大型會(huì)議室等，其結(jié)構(gòu)功能為可有效控制各塔樓的變形。連接體位置多設(shè)置于兩側(cè)塔樓的高處，連接形式主要分為兩種，即凱旋門式或連廊式。凱旋門式，適用于塔樓寬度等一致的情況，采用對(duì)稱布置形式；連廊式，顧名思義，即將塔樓間的連接體作為連廊應(yīng)用，多采用鋼桁架形式，跨度較大。連接體與塔樓的連接方式分為兩端剛接、鉸接，一端剛接一端鉸接，滑動(dòng)連接等。

（3）大底盤。高層連體結(jié)構(gòu)中為提高商業(yè)利用價(jià)值，會(huì)將建筑下部的樓層設(shè)計(jì)為商業(yè)用房，多將其設(shè)計(jì)為大空間，擴(kuò)大占地面積，設(shè)置為框架結(jié)構(gòu)，這種大開間裙房即為大底盤。大底盤與主樓可相互連接，或相互獨(dú)立均可。

連接體與塔樓連接形式分為兩種，即強(qiáng)連接及弱連接。強(qiáng)連接，要求連接體剛度較高，可有效協(xié)調(diào)連接體的內(nèi)外應(yīng)力并控制變形，多設(shè)計(jì)為兩端剛接或鉸接；弱連接，即連接體剛度不足，不能對(duì)塔體的內(nèi)力與變形形成較強(qiáng)控制作用，則會(huì)將一端鉸接另一端，形成滑動(dòng)支座[2]。

2 高層建筑連體結(jié)構(gòu)特征

（1）扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在荷載作用下無連體的多塔體結(jié)構(gòu)會(huì)相互作用，盡管設(shè)有大底盤，但是因底盤體量大、剛度大，各塔樓變形與受力也是獨(dú)立的；多塔體結(jié)構(gòu)中因有連體結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)塔樓變形形成約束作用，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)體間的相互作用。在風(fēng)雨地震等荷載作用影響下，建筑連體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生平動(dòng)變形，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形，而扭轉(zhuǎn)效應(yīng)也會(huì)隨著塔樓不對(duì)稱性的增加而加大，連接作用越強(qiáng)，則扭轉(zhuǎn)效應(yīng)表現(xiàn)越突出。

（2）連體部分受力關(guān)系復(fù)雜。因連體部分需協(xié)調(diào)兩側(cè)塔樓變形，處于水平荷載下內(nèi)力水平過高，而另一部分樓層的樓板與梁在兩端塔樓的同方向振動(dòng)與相對(duì)振動(dòng)作用下，受力更為復(fù)雜。為確保建筑結(jié)構(gòu)安全，現(xiàn)行建筑行業(yè)規(guī)定中提出連接體結(jié)構(gòu)需加設(shè)鋼梁、鋼桁架與型鋼混凝土梁，型鋼置入主體結(jié)構(gòu)一定深度（要求必須一跨），并進(jìn)行錨固處理。對(duì)此，需進(jìn)行以下處理：加大邊梁截面面積；樓板厚度＞150mm，選用雙層雙向鋼筋網(wǎng)，橫縱方向上每層鋼筋網(wǎng)配筋率應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算，配筋率應(yīng)＞0.25%。

（3）連接體兩端與塔樓的連接方式。連接體承受的荷載主要為恒載與活載，需協(xié)調(diào)兩端連體變形或振動(dòng)產(chǎn)生的作用力。通常連接體與塔樓連接形式的選擇是優(yōu)化連接體自身結(jié)構(gòu)屬性的關(guān)鍵所在，連接方式必須依據(jù)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件特性以及所處位置進(jìn)行確定，具體連接形式為剛性連接、鉸接、滑動(dòng)連接[3]。當(dāng)連接方式為剛性連接或鉸接，連接體與塔樓則連接形成一個(gè)整體，分擔(dān)荷載。當(dāng)選擇滑動(dòng)連接時(shí)，塔樓各自獨(dú)立，連接體受力水平低，此時(shí)設(shè)計(jì)應(yīng)更加注重地震作用下連接體滑落或相互碰撞問題的處理。

3 實(shí)例分析高層建筑連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某項(xiàng)目地上面積為43249.5m2，地下面積為16000m2。該項(xiàng)目地上8層，層高為4.5m，地下1層，層高為6.0m。該項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，抗震設(shè)防類別為丙類。

3.1 結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)布置

該建筑為大跨度連體結(jié)構(gòu)，共有兩個(gè)塔樓，均為鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)尺寸為9m×9m，主體混凝土結(jié)構(gòu)樓板采用的均為鋼筋混凝土全現(xiàn)澆主次梁樓蓋體系，選用強(qiáng)度為C30混凝土。連體跨度為63m，采用鋼結(jié)構(gòu)桁架，圓形展廳區(qū)域中的大懸挑為鋼桁架結(jié)構(gòu)，展廳頂部橢圓造型為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，西側(cè)懸挑區(qū)域采用型鋼混凝土柱+型鋼混凝土梁結(jié)構(gòu)。

3.2 抗震性能目標(biāo)

基于性能的抗震設(shè)計(jì)中，對(duì)抗震設(shè)防類別、烈度，同時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)的特殊性將該結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)設(shè)定為C級(jí)。因該項(xiàng)目中建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連體、懸挑展廳、斜柱等部位受力復(fù)雜，需依據(jù)各部位受力狀態(tài)對(duì)特殊構(gòu)件進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)。

3.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析與結(jié)果

（1）結(jié)構(gòu)體系特征。該項(xiàng)目中建筑為復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，特征如下：①建筑結(jié)構(gòu)為大跨度連體結(jié)構(gòu)，連體結(jié)構(gòu)中獨(dú)立部分采用相似的平面布置方案，剛度、體型相近。但是因兩側(cè)塔樓體型與剛度差異較大，地震作用下出現(xiàn)45°夾角，選用弱連接形式，在風(fēng)雨地震荷載的共同作用下，不能對(duì)兩側(cè)塔樓變形與受力形成有效約束。為此，連體結(jié)構(gòu)與主塔樓選用剛性連接方式，深入塔樓一跨，為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，為水平力的傳遞創(chuàng)造了有利條件。②結(jié)構(gòu)西南角位置設(shè)有展廳，跨度達(dá)32m，展廳電梯間周邊設(shè)有剪力墻核心筒，以作為二道防線。展廳為雙方向鋼桁架，構(gòu)件重量輕且美觀。③大跨度展廳上方為橢球型屋蓋，為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。因網(wǎng)殼下方的展廳對(duì)非對(duì)稱大跨度結(jié)構(gòu)，使得網(wǎng)殼支座出現(xiàn)了初始位移，對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)針對(duì)初始位移與不考慮初始位移模型開展包絡(luò)設(shè)計(jì)。④建筑結(jié)構(gòu)東側(cè)為懸挑結(jié)構(gòu)，長達(dá)為15m。斜柱結(jié)構(gòu)采用了兩種形式，分別為兩個(gè)方向型鋼混凝土與單方向型鋼混凝土。受力方向上的鋼筋連續(xù)，采用單方向型鋼混凝土、另一方為混凝土結(jié)構(gòu)形式。假設(shè)存在單層失效情況，且只有一榀斜柱承擔(dān)工況開展驗(yàn)算可知，需適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)冗余度。

（2）多遇地震分析。該工程多遇地震分析計(jì)算選用YJK、MIDASGen軟件，結(jié)合偏心地震、雙向水平地震與豎向地震等綜合作用，同時(shí)兼顧扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)、斜交抗側(cè)力構(gòu)件等多重影響，應(yīng)依據(jù)樓層進(jìn)行逐級(jí)加載，連體部分應(yīng)對(duì)主體施工進(jìn)行考量，完成后再進(jìn)行一次性加載。

計(jì)算結(jié)果如下：樓層最大層間位移角、剪重比與剛重比等滿足規(guī)范要求；在偶然偏心水平力作用下，樓層兩端的抗側(cè)力構(gòu)件層間位移值進(jìn)行比較，位移最大值與平均值之比大于1.2，分析確定為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。但是因連接體的存在，四層至七層的側(cè)向剛度比不滿足規(guī)范要求；六層受剪承載力本層與相鄰上層，其比值不滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需擴(kuò)大關(guān)鍵部位柱截面面積，同時(shí)提高豎向與斜撐構(gòu)件抗震等級(jí)。基于上述內(nèi)容，項(xiàng)目選用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。

該工程選用YJK軟件進(jìn)行分析計(jì)算，選取兩組人工波與五組天然波開展多遇地震下彈性時(shí)程分析。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，多遇地震作用下彈性時(shí)程層間位移角小于1/800，七組時(shí)程曲線最大樓層彎矩、剪力平均值均低于反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果。

（3）設(shè)防地震驗(yàn)算。主要型鋼混凝土柱驗(yàn)算，構(gòu)件整體抗剪承載力余量大；對(duì)展廳懸挑桁架與大跨桁架強(qiáng)度應(yīng)力比進(jìn)行中震驗(yàn)算，分析可知應(yīng)力均符合地震控制要求。此外，對(duì)中震作用下的墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受拉驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)墻體出現(xiàn)拉應(yīng)力情況較少，需優(yōu)化墻體豎向配筋率方案。

（4）彈塑性時(shí)程分析。該建筑連體結(jié)構(gòu)在罕遇地震情況下出現(xiàn)非線性行為，改變了連接體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，只有結(jié)構(gòu)具有大震動(dòng)力彈塑性，方可控制罕遇地震對(duì)于連體建筑結(jié)構(gòu)的破壞作用。經(jīng)彈塑性時(shí)程分析可知，建筑結(jié)構(gòu)剪力與小震彈性數(shù)值之比為3.5倍，符合規(guī)范。模擬地震構(gòu)建模型，連接體在地震作用下會(huì)出現(xiàn)雙向偏移，經(jīng)計(jì)算雙向?qū)娱g位移角最大值分別為1/127、1/117，低于規(guī)定限值（限值為1/100）。

4 結(jié)束語

綜上所述，因高層建筑連體結(jié)構(gòu)層數(shù)較多，形式多樣，受力狀態(tài)復(fù)雜，需依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的具體形式，選用適宜的結(jié)構(gòu)布置方案和連接方式，通過時(shí)程分析、模型計(jì)算等確定各項(xiàng)參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并對(duì)薄弱部位或關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)處理，以提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。