張開(kāi)瑩

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

當(dāng)前高層建筑設(shè)計(jì)中，越來(lái)越多出現(xiàn)雙塔或者多塔之間的連體結(jié)構(gòu)。大跨度的連體結(jié)構(gòu)，既能連接起不同的平面空間，又豐富了建筑立面，成為建筑造型的亮點(diǎn)和記憶點(diǎn)。

連接體一般采用輕巧的鋼結(jié)構(gòu)，常用結(jié)構(gòu)形式有桁架式、空腹桁架式、混合桁架式、懸臂式、梁式等[1-5]。連接體結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)的連接又分為兩種：剛性連接和滑動(dòng)連接。不同的連接體結(jié)構(gòu)形式，其受力形態(tài)不同，對(duì)塔樓的影響也相差較大。本文結(jié)合福州市某高層連體辦公樓的工程實(shí)例，對(duì)連接體的結(jié)構(gòu)選型做分析對(duì)比。

1 工程概況

辦公樓位于福州市倉(cāng)山區(qū)，1#和2#為雙塔連體建筑，效果圖如圖1所示。地下一層，地上十層，首層層高4.5 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高5 m，建筑總高度49.5 m。塔樓平面鏡像對(duì)稱(chēng)，標(biāo)準(zhǔn)層采用帶柱帽的空心樓蓋，以達(dá)到較好的使用凈高，典型的結(jié)構(gòu)平面如圖2所示。建筑八層、九層設(shè)高空連廊，跨度33.6 m，立面高度10 m，樓板平面寬度28.3 m。

(b)八層結(jié)構(gòu)平面圖圖2 主要樓層結(jié)構(gòu)平面圖

建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)(丙類(lèi))，抗震設(shè)防烈度為7度(0.01g)，設(shè)計(jì)地震分組第三組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別Ⅲ類(lèi)。50年一遇的基本風(fēng)壓為0.7 kN/m2。兩棟塔樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻的抗震等級(jí)為二級(jí)，框架的抗震等級(jí)為三級(jí)，連接體及與連接體相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在連接體高度范圍及其上、下層，抗震等級(jí)提高一級(jí)[6]。

作為超限高層建筑，綜合考慮項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、震后修復(fù)難易程度等因素，將其中關(guān)鍵構(gòu)件(連接體鋼結(jié)構(gòu)、與連接體相連的框架柱、局部連層柱)的抗震性能目標(biāo)水準(zhǔn)定為C級(jí)，普通豎向構(gòu)件和耗能構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)水準(zhǔn)定為D級(jí)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還采取了以下這些加強(qiáng)措施：①連接體及與連接體相連的豎向構(gòu)件考慮豎向地震作用；②連接體構(gòu)件在小震下的應(yīng)力比不超過(guò)0.75；③與連接體相連的豎向構(gòu)件的軸壓比，按抗震等級(jí)一級(jí)的限值控制；④連接體及塔樓內(nèi)兩跨的樓板板厚不小于150 mm，進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，在小震下樓板拉應(yīng)力不大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，中震下樓板鋼筋應(yīng)力不大于鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；⑤連接體做正常使用的舒適度驗(yàn)算。

2 連體結(jié)構(gòu)選型

2.1 初選4種連體結(jié)構(gòu)方案

考慮到建筑立面的完整性，連接體的結(jié)構(gòu)沒(méi)有選擇需要設(shè)置抗震縫的懸臂式和滑動(dòng)支座連接，而是采用整體剛性連接的形式。本項(xiàng)目?jī)蓚?cè)塔樓具有相同的體型、平面布置和剛度，而且連接體的尺寸較大，剛度大，也適合與塔樓形成一個(gè)共同受力的整體，除了承擔(dān)自身的荷載，還可以協(xié)調(diào)兩端塔樓的變形。

與兩側(cè)塔樓的柱網(wǎng)對(duì)應(yīng)，設(shè)四榀主結(jié)構(gòu)，間距7 m～11.2 m，各層鋼梁延伸入兩端塔樓一跨，通過(guò)局部型鋼混凝土梁、柱的形式做可靠連接，樓層梁板作為平面外連接。根據(jù)建筑立面和內(nèi)部?jī)舾叩囊螅?層樓面梁的梁高不超過(guò)0.6 m，8層樓面和10層屋面梁的梁高可以加大到不超過(guò)1.2 m。若僅用單層的梁式受力，跨高比顯然太大了，而用三層結(jié)構(gòu)梁共同組成桁架式受力的話，中間層即9層樓面梁受力較小，以承擔(dān)本層豎向荷載為主，0.6 m高度就可以滿(mǎn)足要求，受力大的桁架上弦、下弦截面可取為1.2 m。

按此思路，篩選出空腹桁架、加斜撐的空腹桁架、加拉桿的空腹桁架和跨層鋼桁架這四種結(jié)構(gòu)方案，如圖3所示。采用盈建科軟件整體建模，分別對(duì)比結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力特性、連接體的變形及構(gòu)件內(nèi)力、塔樓相關(guān)構(gòu)件的內(nèi)力。4種方案的構(gòu)件截面取為一致，上下層采用600×1200的箱型梁，中間層采用500×600箱型梁，立柱或斜桿采用600×600的箱型截面。其中，空腹桁架方案的柱距為4.2 m，其余3種方案增加了斜向腹桿，則豎向立柱的柱距加大至8.4 m。

(a)方案1空腹桁架

(b)方案2加斜撐的空腹桁架

(d)方案4 跨層桁架圖3 電算模型立面圖(7層以上)

2.2 整體動(dòng)力特性比較

采用振型分解反應(yīng)譜法，計(jì)算四種方案的自振周期(表1)。4種結(jié)構(gòu)形式的前三階振型，均為結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)，且方向一致。第一振型為長(zhǎng)方向X向的平動(dòng)，第二振型為短方向Y向的平動(dòng)，第三振型為整體扭轉(zhuǎn)?？梢?jiàn)，四種連體形式均具有較大的剛度，足以起到協(xié)調(diào)兩塔樓變形的作用。前三種結(jié)構(gòu)方案的自振周期基本一致，第4種跨層桁架的第一自振周期T1值最小，其x向的抗側(cè)剛度最大，但扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T3與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比達(dá)到了規(guī)范限值0.9[7]，說(shuō)明中部結(jié)構(gòu)的剛度過(guò)大，使得整體抗扭剛度偏弱。

表1 結(jié)構(gòu)自振周期

2.3 連體結(jié)構(gòu)撓度比較

表2列出四種結(jié)構(gòu)方案在豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的跨中最大撓度，均小于規(guī)范規(guī)定的撓度允許值[8]?？梢?jiàn)，結(jié)構(gòu)豎向變形以永久荷載作用為主；方案4跨層桁架的豎向剛度最大撓度最小；方案2、3因?yàn)樵诙瞬吭O(shè)置了斜腹桿，可以把部分豎向荷載通過(guò)斜腹桿的軸力直接傳到兩端的框架柱上，傳力途徑多了，橫梁的撓度也較小。而方案1的空腹桁架雖然加密了豎桿，用鋼量已經(jīng)大于方案2、3，但豎向荷載仍要全部通過(guò)橫梁傳遞到支座，橫梁豎向變形最大。

表2 豎向撓度值

2.4 連體結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)力分析

選取受力最大的中間榀桁架的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，圖4為4種結(jié)構(gòu)方案在恒載工況下的彎矩圖、軸力圖，表3分別列出恒載工況下彎矩、軸力最大值及按小震設(shè)計(jì)時(shí)構(gòu)件的最大應(yīng)力比。

(a)方案1彎矩圖

(b)方案1軸力圖

(c)方案2彎矩圖

(d)方案2軸力圖

(e)方案3彎矩圖

(f)方案3軸力圖)

(g)方案4彎矩圖

(h)方案4軸力圖

表3 構(gòu)件內(nèi)力值及應(yīng)力比

內(nèi)力圖可以直觀地看出結(jié)構(gòu)方案的受力特點(diǎn)。4種方案均是兩層高度整體受力的桁架，下弦(8層梁)受拉，上弦(10層梁)受壓，中間層(9層梁)位于和性軸上，軸力基本為0，但不同部位上構(gòu)件的軸力和彎矩分布還是有很大差別。

方案1空腹桁架的上下弦橫梁彎矩都很大，特別是支座彎矩，達(dá)到其余3種結(jié)構(gòu)形式的3～4倍，即使受力相對(duì)小的中間層橫梁，其支座彎矩值也和方案2、方案3的上下弦支座彎矩基本相當(dāng)。豎桿僅承受很小的壓力，但彎矩也較大，從靠近支座處到連體的跨中逐漸減小?？崭硅旒艿恼w彎曲變形和剪切變形，都主要通過(guò)構(gòu)件的彎曲來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此需要構(gòu)件有足夠的抗彎剛度，特別是靠近支座端橫梁和豎桿，構(gòu)件應(yīng)力比都比較高，截面還需要加強(qiáng)。相應(yīng)的，作為連接體支座的框架柱受彎也是最明顯的，這點(diǎn)對(duì)塔樓結(jié)構(gòu)比較不利。

方案2、方案3在空腹桁架兩端增加了斜桿，以斜桿的軸向受力來(lái)承擔(dān)桁架整體剪切變形的剪力，各層橫梁支座處的彎矩只有方案1的約30%。支座處塔樓柱的彎矩也顯著減小，橫梁彎矩最大值出現(xiàn)在上下弦跨中，構(gòu)件的應(yīng)力比適中。豎桿的彎矩也只有方案1的約40%，而軸力大大增加，更接近于軸向受力為主的桁架腹桿。兩個(gè)方案中的斜桿方向不同，則斜桿和豎桿的拉壓力分布正好相反，方案2的斜撐受壓、豎桿受拉，方案3的斜杠受拉、豎桿受壓。鋼構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度高，受拉桿又可以避免受壓桿的失穩(wěn)問(wèn)題，因此，這兩種方案中的腹桿尺寸，可以依據(jù)拉壓受力狀態(tài)做進(jìn)一步優(yōu)化。

需注意的是，方案3的斜拉桿拉力集中，數(shù)值很大，因此塔樓支座處的樓板局部拉應(yīng)力也較大，應(yīng)采取加強(qiáng)板厚、配筋等措施，同時(shí)，作為傳遞拉力的關(guān)鍵構(gòu)件，內(nèi)伸至塔樓內(nèi)的型鋼梁也應(yīng)滿(mǎn)足中震彈性的設(shè)計(jì)要求，確保拉力能可靠傳遞。對(duì)于本項(xiàng)目，塔樓內(nèi)的建筑凈高要求比較高，從連體桁架伸入塔樓內(nèi)的型鋼高度只有500 mm，與連體桁架的弦桿截面差別較大，因此支座處拉力較小的，方案2會(huì)更適合。

方案4就是典型的桁架式受力模式，除了支座處，各構(gòu)件的彎矩都很小，以承擔(dān)軸力為主，效率更高，各構(gòu)件的應(yīng)力比也比其他三種方案都小，因此上下弦梁的截面尺寸還可以?xún)?yōu)化減小。但此方案的斜桿數(shù)量最多，對(duì)建筑立面效果和內(nèi)部空間影響較大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合福州市某連體辦公樓的工程實(shí)例，對(duì)比分析了四種連體結(jié)構(gòu)形式的受力特性，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)空腹桁架只有橫梁和立柱，對(duì)建筑平面布置最有利，但整體豎向剛度較差，且構(gòu)件以彎曲受力為主，弦桿、腹桿、塔樓中與連體相連的柱都需要有足夠的抗彎剛度。因此，在實(shí)際工程中若選用此方案，結(jié)構(gòu)用鋼量也是這4種方案中相對(duì)最大的。

(2)在普通空腹桁架支座端增加斜向腹桿，形成混合型空腹桁架，將桁架整體剪切變形的剪力轉(zhuǎn)換為斜桿的軸力，大大減少了桁架上下弦桿的彎矩。此方案增加的桿件數(shù)量不多，但傳力路徑更直接，連接體豎向撓度也明顯減小，在結(jié)構(gòu)的合理性和經(jīng)濟(jì)性上都具有優(yōu)勢(shì)。

(3)混合型空腹桁架是設(shè)斜壓桿還是斜拉桿對(duì)結(jié)構(gòu)整體而言差別不大，兩種方案的整體指標(biāo)基本一致。斜拉桿可以充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度，避免受壓失穩(wěn)，宜做為優(yōu)選方案。本項(xiàng)目因塔樓內(nèi)的梁截面較小，抗拉能力偏弱，所以選用斜壓桿方案。

(4)跨層桁架式結(jié)構(gòu)的整體剛度大，傳力途徑明確效率高，構(gòu)件可以做到這四種方案中最小的截面尺寸，但斜向桿件多，對(duì)建筑方案影響較大。當(dāng)連接體的體型尺寸較大時(shí)，要優(yōu)化桁架節(jié)間距和構(gòu)件尺寸，避免連體的剛度過(guò)大，而使整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大。

(5)連體結(jié)構(gòu)是整棟建筑設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)，結(jié)構(gòu)選型也要充分考慮建筑效果，本項(xiàng)目最終選擇了加斜撐的混合型空腹桁架形式，端部斜撐方向和建筑立面的拱形方向一致，而且中部柱距8.4 m，無(wú)斜向構(gòu)件，空間開(kāi)闊，對(duì)外的視野也好。