盧孝同

（福建省工大工程設(shè)計(jì)有限公司，福建 福州 350014）

0 引言

隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的發(fā)展，對(duì)建筑美觀和功能提出更高的要求。連體建筑作為一種功能空間的建筑藝術(shù)表現(xiàn)形式，除了美觀外，還能滿足兩棟建筑之間人員流通功能，越來越受建筑師的青睞。近年來涌現(xiàn)了多種多樣樣式獨(dú)特，體形復(fù)雜的連體結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了不少挑戰(zhàn)。針對(duì)目前復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所面臨的問題，大量技術(shù)人員和學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了不少的研究分析，研究內(nèi)容主要集中在實(shí)驗(yàn)研究，抗震性能分析和結(jié)構(gòu)體系選型等方面[1]。周偉星[2]闡述了連體鋼桁架的結(jié)構(gòu)性能化分析要點(diǎn)和方法，提出了將連體鋼桁架視為一個(gè)整體構(gòu)件進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)的方法，作為技術(shù)人員設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。張一舟等[3]對(duì)高位連體實(shí)際工程為例，總結(jié)復(fù)雜多塔連體高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)和設(shè)計(jì)對(duì)策。針對(duì)這種復(fù)雜懸挑連體結(jié)構(gòu)吊裝問題，李少龍[4]運(yùn)用仿真施工模擬，通過合理的施工模擬程序指導(dǎo)施工作業(yè)，確保大型懸挑鋼結(jié)構(gòu)施工的安全性。本文在此基礎(chǔ)上，根據(jù)本項(xiàng)目懸挑連體結(jié)構(gòu)的特殊形式，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)吊裝合理安全基礎(chǔ)上，選用桁架結(jié)構(gòu)類型。并對(duì)該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的超限問題以及對(duì)鋼桁架，兩側(cè)主樓等關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)和分析，對(duì)連體結(jié)構(gòu)布置合理性及安全性做出綜合評(píng)價(jià)。

1 工程概況

博思人工智能產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目位于福建省福州市濱海新城，1#、2#總建筑面積為30 200.9m2，塔樓地上14層，地下共1層，塔樓結(jié)構(gòu)高度為 57.25m，主要功能為辦公。1#2#樓采用數(shù)字雙螺旋打造本產(chǎn)業(yè)園標(biāo)志形象，建筑功能上通過亮麗的全玻璃幕墻加空中圓環(huán)提高建筑外立面美觀。10層和11層主樓之間是空中連廊，采用連體結(jié)構(gòu)，通過空中連廊將兩棟建筑連成整體，形成封閉的O字形連廊。1#、2#樓單體效果圖如圖1所示，連廊實(shí)景圖如圖2所示。

圖1 1#、2#樓單體效果圖

圖2 1#、2#樓連廊實(shí)景圖

2 結(jié)構(gòu)選型及連體結(jié)構(gòu)模板布置

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑安全等級(jí)為二級(jí)，建筑抗震設(shè)防類別為丙級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為 7 度（0.10g），第三組，Ⅱ類場(chǎng)地?；撅L(fēng)壓按50年重現(xiàn)期取W0 =0.80kN/m2，地面粗糙度類別為A類。

整個(gè)地上主樓為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)單元，不設(shè)置抗震縫，上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系（連體部分采用鋼管混凝土柱），連體結(jié)構(gòu)為鋼梁懸挑+鋼桁架結(jié)構(gòu)形式，采用全焊剛性連接[5]。鋼結(jié)構(gòu)桁架連接兩端鋼管混凝柱和懸挑梁上并承受豎向荷載，桁架連接鋼管柱部分延伸主樓進(jìn)去一跨。1#、2#樓結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

塔樓框架柱截面自下向上由900mm×900mm 逐漸收縮為 600mm×600mm，剪力墻厚度為300mm，相應(yīng)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C50逐漸降低為C30；各層樓面框架梁截面一般為300mm×800mm ～1 000mm×1 000mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。鋼管混凝土柱截面800mm ×20mm，挑梁截面為截面箱型400mm×800mm×20/25mm，鋼結(jié)構(gòu)桁架的主要弦桿截面箱型400mm×800mm×20mm，腹桿截面為箱形400mm ×400mm×20mm，鋼材均為Q355B。塔樓連廊層連體鋼構(gòu)模板布置圖如圖4所示。

圖4 連廊層模板圖

3 結(jié)構(gòu)超限認(rèn)定及抗震性能目標(biāo)

本項(xiàng)目主樓屬于高度不超限，規(guī)則性超限的不規(guī)則高層建筑。主要的超限不規(guī)則項(xiàng)有：（1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、偏心布置； （2） 樓板不連續(xù)； （3） 樓層懸挑桁架，多塔；（4）剛度突變、承載力突變——中間鋼桁架連體處承載力突變。依據(jù)《全國超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》，本項(xiàng)目需要做超限評(píng)審。

針對(duì)超限情況，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[6]3.11.1條，節(jié)結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)方法，該結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為取為D級(jí)，部分關(guān)鍵構(gòu)件抗震性能適當(dāng)提高，抗震性能目標(biāo)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

表2 YJK構(gòu)件性能狀態(tài)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 整體結(jié)構(gòu)抗震分析

本工程結(jié)構(gòu)整體分析采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算。數(shù)據(jù)分析顯示，塔樓10、11層應(yīng)有鋼構(gòu)連體，導(dǎo)致樓層剛度比及受剪承載力突變較大。計(jì)算上除考慮薄弱層地震作用放大外，對(duì)該層墻柱按提高一級(jí)采取抗震構(gòu)造措施，墻柱按中震抗剪彈性，抗彎不屈服設(shè)計(jì)。

通過計(jì)算分析顯示，結(jié)構(gòu)各種計(jì)算數(shù)據(jù)及動(dòng)力特性均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)前兩階振型均為平動(dòng)振型，周期比也滿足規(guī)范0.9以下的要求，結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)力構(gòu)件布置合理。

4.1 多遇地震情況下的彈性時(shí)程分析

多遇地震作用下彈性時(shí)程分析時(shí)取YJK 程序提供的符合規(guī)范相關(guān)計(jì)算要求的五條天然波和兩條人工波計(jì)算。多遇地震作用下彈性時(shí)程分析時(shí)，所選的地震波要滿足頻譜特征、有效峰值和持續(xù)時(shí)間等要求。本項(xiàng)目采用水平主向、水平次向的加速度峰值按照抗震規(guī)范 1:0.85 的比例系數(shù)進(jìn)行輸入。地震烈度為7度（0.1g），根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]5.1.2條，地震波峰值加速度按35cm/s2取值。如圖5所示

圖5 規(guī)范譜與反應(yīng)譜對(duì)比圖

根據(jù)上述彈性時(shí)程分析結(jié)果，地震波選用滿足規(guī)范 GB50011-2010第5.1.2條中關(guān)于結(jié)構(gòu)底部剪力的規(guī)定。以上說明地震波選用合理，各樓層地震作用放大系數(shù)做相應(yīng)調(diào)整。

4.2 罕遇地震靜力彈塑性分析

結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的分析有靜力彈塑性分析和動(dòng)力彈塑性分析方法，通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能設(shè)計(jì)以滿足建筑投資方對(duì)結(jié)構(gòu)在大震下的性能要求。PushOver分析是最具代表性的靜力性能設(shè)計(jì)分析方法。

PUSHOVER分析是借助地震需求譜，近似得到結(jié)構(gòu)在預(yù)期地震作用下的抗震性能狀態(tài)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評(píng)估。

4.2.1 彈塑性最大層間位移角

根據(jù)PUSHOVER結(jié)果，各推覆工況性能點(diǎn)最大樓層位移角曲線如圖6～7所示。

圖6 工況X向推覆性能點(diǎn)最大樓層位移角曲線

圖7 工況Y向推覆性能點(diǎn)最大樓層位移角曲線

結(jié)果表明，X向性能點(diǎn)最大層間彈塑性位移角為1/320，Y向性能點(diǎn)最大層間彈塑性位移角為1/348，滿足規(guī)范規(guī)定的1/100限值要求。

4.2.2 結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)分析

結(jié)構(gòu)的彈塑性屬性是通過布置在構(gòu)件上的塑性鉸來體現(xiàn)的，塑性鉸屬性包括兩個(gè)方面：（1）屈服承載力；（2）荷載—變形關(guān)系。對(duì)于混凝土構(gòu)件，用梁端、柱端、剪力墻墻肢端部的塑性轉(zhuǎn)角的大小來衡量塑性變形水平。圖中構(gòu)件性能水準(zhǔn)表示：OP段為綠色，IO段為黃色，LS段為橙色，CP段為紅色。如圖8～9所示.

圖8 工況X+向推覆性能狀態(tài)

圖9 工況Y+向推覆性能狀態(tài)

軟件依據(jù)評(píng)定值給出上述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破傷等級(jí)圖，破損等級(jí)圖顯示，結(jié)構(gòu)連梁損傷比框架梁柱明顯，局部連梁出現(xiàn)了嚴(yán)重破壞，甚至破壞退出。柱大部分完好，未出現(xiàn)貫通成片的嚴(yán)重?fù)p壞，柱只是部分構(gòu)件進(jìn)入了中等損壞，滿足大震性能目標(biāo)需求。

（1）框架梁及連梁結(jié)果顯示，出現(xiàn)較多塑性鉸，局部出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，作為主要耗能構(gòu)件，結(jié)果是理想的。

（2）框架柱監(jiān)測(cè)結(jié)果，塔樓底部框架柱未出現(xiàn)明顯的較重?fù)p傷，作為框架一剪力墻抗震的第二道防線，結(jié)果是理想的，且滿足大震壓彎不屈服的要求，結(jié)果是滿足要求的。

（3）剪力墻監(jiān)測(cè)結(jié)果：剪力墻底部有輕微損傷，但未出現(xiàn)大面積情況，作為框架一剪力墻抗震的第一道防，說明大震下剪力墻受彎沒有發(fā)生混凝土壓潰破壞的情況，結(jié)果是理想的。

綜上，通過對(duì)本工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震動(dòng)力彈塑性分析并與規(guī)范的要求進(jìn)行對(duì)比，說明本結(jié)構(gòu)能滿足罕遇地震下的受力要求。

5 連體桁架動(dòng)力分析

連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用單塔和雙塔分別計(jì)算分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的周期和陣型等結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行分析，判斷結(jié)構(gòu)布置合理性。

單塔動(dòng)力、合塔（未帶連接體模型）和合塔（帶連接體模型）分析顯示上述各塔動(dòng)力特性可以看出，二個(gè)單塔基本一致，不存在某個(gè)主軸方向的振動(dòng)周期顯著不同；且二者高度、體型、剛度基本相同；合塔（二者強(qiáng)連接的連體）后，也未改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，說明此連接方式是可行的。

為了能更準(zhǔn)確評(píng)估樓蓋舒適度情況，應(yīng)用YJK樓板和設(shè)備振動(dòng)模塊復(fù)核樓蓋自震頻率。詳見表3，提供前5個(gè)模態(tài)階數(shù)，其中第10層固有頻率都大于3，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第3.7.7條，其樓蓋有適宜的舒適度。

表3 合塔（帶連接體模型）10層樓蓋固有頻率

表4 連接體各構(gòu)件在不同工況下的應(yīng)力比匯總表

6 連接體應(yīng)力計(jì)算

第10層為連接體所在的樓層，故第10層與第11層連接體相關(guān)的樓板板厚定義為150mm。連接體為鋼桁架，與1#、2#樓采用剛性連接。連接體伸入主體結(jié)構(gòu)一跨，伸入部分采用組合型鋼梁。與連接體相連的豎向構(gòu)件為組合型鋼柱。

采用小震計(jì)算的參數(shù)：將第10層、11層連接體相關(guān)的樓板定義為彈性板6，地震影響系數(shù)最大值αmax取值為0.08。采用中震計(jì)算的參數(shù)：將第10層、11層連接體相關(guān)的樓板定義為彈性板6，采用性能水準(zhǔn)1進(jìn)行中震下的性能設(shè)計(jì)。采用大震計(jì)算的參數(shù)：將第10層、11層連接體相關(guān)的樓板板厚定義為0，地震影響系數(shù)最大值αmax取值為0.32。連接體各構(gòu)件在不同工況下的應(yīng)力比匯總情況詳表，均滿足設(shè)計(jì)要求。

7 樓板應(yīng)力分析

本工程上部鋼構(gòu)連體結(jié)構(gòu)，中間連廊樓板平面內(nèi)應(yīng)力復(fù)雜，為保證上部結(jié)構(gòu)地震作用下樓板能正常傳遞水平力，需要對(duì)樓板進(jìn)行應(yīng)力分析并進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)。

7.1 樓板性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)

對(duì)樓板平面內(nèi)應(yīng)力的分析手段和方法，我國規(guī)范未作出明確的規(guī)定。根據(jù)性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)，多遇地震下不開裂，設(shè)防地震作用下，樓板鋼筋不屈服。

7.2 計(jì)算方法及結(jié)果

為計(jì)算結(jié)構(gòu)中震下的樓板應(yīng)力情況，采用YJK軟件，運(yùn)用CQC組合的反應(yīng)譜，在多遇地震下局部樓板混凝土拉應(yīng)力超過混凝土樓板C30的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（2.01MPa）。補(bǔ)充計(jì)算（地震影響系數(shù)最大值=0.23 ）結(jié)構(gòu)在中震標(biāo)準(zhǔn)組合下樓板應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果顯示局部應(yīng)力較大位移與小震作用下基本相同，主要位于剪力墻端部，樓板不連續(xù)的區(qū)域，此處受力復(fù)雜，此區(qū)域配筋加強(qiáng)處理（如圖10～11所示）。

圖10 在X向最不利地震作用下的樓板板底應(yīng)力

圖11 在X最不利地震作用下的樓板板面應(yīng)力

對(duì)10F和11F 樓板厚度加厚，厚度為150mm,采用C30混凝土。對(duì)10F和11F樓板大面積貫通鋼筋采用Ф12@150配筋，地震作用下樓板應(yīng)力較大處設(shè)置加強(qiáng)區(qū)對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)配筋；地震作用下樓板應(yīng)力較大處設(shè)置加強(qiáng)區(qū)對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)配筋。

8 結(jié)論

本工程設(shè)計(jì)滿足抗震設(shè)防原則“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，以及基于以上抗震性能化的設(shè)計(jì)方法，對(duì)關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)能滿足安全要求。綜合上述分析結(jié)果：

（1）多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)最大層間位移角滿足多遇地震1/800性能目標(biāo)要求，所有構(gòu)件均滿足彈性設(shè)計(jì)要求。

（2）各層彈塑性位移角最大值均小于1/100，滿足規(guī)范對(duì)框剪結(jié)構(gòu)彈塑性位移角限值的規(guī)定，說明滿足“罕遇地震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

（3）對(duì)于本項(xiàng)目關(guān)鍵的鋼結(jié)構(gòu)連廊，補(bǔ)充小震、中震、大震情況下的應(yīng)力比情況分析，結(jié)果證明鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比均有較大富余。

本工程為規(guī)則性超限的不規(guī)則高層建筑，通過制定合理的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)和加強(qiáng)措施，使主體結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)抗震設(shè)防要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)也滿足國家相關(guān)規(guī)范的要求。