沈海洋

（上海市地下空間設(shè)計(jì)研究總院有限公司，上海 200125）

0 引言

高層連體結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系。連接體作為其中的關(guān)鍵部分，抗震設(shè)計(jì)和分析是重中之重。連接體的結(jié)構(gòu)形式有強(qiáng)連接、弱連接、鉸接連接等多種形式。吳宏磊等[1]針對典型工程案例，從結(jié)構(gòu)整體受力、變形以及連接體的受力變形等方面，對連接體的選型與設(shè)計(jì)進(jìn)行了剖析，總結(jié)了不同連接形式的受力特點(diǎn)、適用情況和設(shè)計(jì)原則。劉光爽[2]以實(shí)際工程為研究對象，對一個非對稱雙塔連體結(jié)構(gòu)的連接體方案（空腹桁架）及抗震性能進(jìn)行研究，研究經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)與加強(qiáng)，本工程的非對稱連體結(jié)構(gòu)能達(dá)到預(yù)定的抗震性能目標(biāo)。張一舟、劉彥生等[3]以一個四塔高位連體實(shí)際工程為例，從整體結(jié)構(gòu)布置，連接體設(shè)計(jì)，連接體與塔樓連接的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，抗震性能化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)全生命周期分析等多方面總結(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)對策。李家佳等[4]以南京涵碧樓酒店南北塔樓頂部間連通的跨空中鋼連廊為例，分析了鋼連廊的減振設(shè)計(jì)，通過該減振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，施工和后期調(diào)試，為類似結(jié)構(gòu)提供了經(jīng)驗(yàn)。

本文在研究空腹桁架連接體受力形式的基礎(chǔ)上，連接體采用了鋼拉桿體系的結(jié)構(gòu)形式，傳力明確，連接可靠，對建筑立面影響較小。經(jīng)分析表明，該連體結(jié)構(gòu)的抗震性能可以滿足規(guī)范要求及設(shè)立的抗震性能目標(biāo)。

1 工程概況

GZ137地塊A區(qū)塊（建工科技園）項(xiàng)目位于揚(yáng)州市廣陵區(qū)，基地位于文昌東路北側(cè)，臨灣路東側(cè)，迎賓路南側(cè)。本工程地上由高層辦公（15層/17層/23層）、多層商業(yè)（2層/4層/5層）組成，地下為兩層地下車庫?？偨ㄖ娣e約249 169.9m2，其中地上148 804.1m2，地下100 365.8m2。其中A2#樓、A3#樓建筑平面布置為東西兩個塔樓，建筑高度為99.6m，單塔東西方向尺寸為44.5m，南北方向尺寸為35.9m。地上23層，1～2層層高5.2m，3～20層層高4.2m，21層～23層層高4.5m，出屋面樓梯間層高為3.0m。東西兩個塔樓在下部均無連接，在二十二層至屋面層通過兩層通高的鋼連廊進(jìn)行剛性連接。連廊跨度43.7m，高度9m，寬10.9m。本工程連體位置較高，跨度較大，東西兩側(cè)塔樓為鋼筋混凝土框架－核心筒結(jié)構(gòu)，連體為鋼結(jié)構(gòu)。本工程局部樓層扭轉(zhuǎn)位移比大于1. 2；2層、3層開洞面積大于30%；故本工程為超限結(jié)構(gòu)，并于2020年9月30日順利通過了江蘇省超限專家評審。

本工程抗震設(shè)防類別為丙類（底層商業(yè)為乙類），設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別為Ⅲ類。根據(jù)揚(yáng)州市住建局提供的安評報(bào)告[5]，本工程場地設(shè)計(jì)特征周期：小震及中震為0.55s，大震為0.60s（規(guī)范）；水平地震影響系數(shù)最大值：小震為0.163，中震為0.435，大震為0.720（規(guī)范）。工程所在地區(qū)基本風(fēng)壓為0.40kN/m2（50年一遇），地面粗糙度為B類；遇基本雪壓0.35kN/m2（50年一遇）。

2 結(jié)構(gòu)體系

2.1 抗側(cè)力體系

結(jié)合建筑平面功能及布置，東西塔樓采用鋼筋混凝土框架－核心筒結(jié)構(gòu)體系，鋼筋混凝土筒體作為主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，外框架作為抗震第二道防線。底層商業(yè)部分：框架抗震等級為一級，核心筒抗震等級為一級；其余樓層部分：框架抗震等級為二級，核心筒抗震等級為二級；連接體及與其相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在連接體高度范圍及其下一層抗震等級為一級。塔樓核心部分為鋼筋混凝土內(nèi)筒剪力墻，內(nèi)筒平面尺寸約為24.2m×12.2m（內(nèi)筒寬高比1/8＞1/12）；塔樓外圍為框架結(jié)構(gòu)，平面尺寸44.5m×35.9m（高寬比2.65＜7）；外框架柱距核心筒距離約為10～12m，外框架環(huán)向柱距約為8.4m。

框架柱截面尺寸自下往上由1000mm×1450mm漸變?yōu)?50mm×750mm，混凝土強(qiáng)度等級為C60～C30。環(huán)向框架梁梁高1 200mm。核心筒周邊剪力墻墻厚為550～350mm（一層及二層層高為5.2m），核心筒內(nèi)剪力墻厚度為300mm，混凝土強(qiáng)度等級C60～C30變化。為了加強(qiáng)混凝土核心筒的延性，降低核心筒剪力墻軸壓比，并且降低底部筒體中震下拉應(yīng)力水平，在筒體的四角及中震下拉應(yīng)力較大的墻肢兩側(cè)設(shè)置型鋼柱。

2.2 樓、屋蓋體系

樓面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，板厚120mm。核心筒內(nèi)部、二、三層、連橋及相鄰板厚為150mm。塔樓標(biāo)準(zhǔn)層高為4.2m。徑向梁高700～800mm。

2.3 連體體系

A2#、A3#在二十二至屋面層通過兩層通高的鋼連廊進(jìn)行剛性連接。連廊跨度43.7m，高度9m，鋼連廊兩側(cè)分別設(shè)置了Φ180的雙拉桿，也有利于防連續(xù)倒塌，強(qiáng)度等級為Q550C，連廊上下弦拉桿截面H1000mm×500mm×20mm×30mm，拉桿與下弦拉結(jié)節(jié)點(diǎn)設(shè)置H600mm×500mm×20mm×30mm的鋼柱支撐上弦，上下弦分別間隔2.6m設(shè)置H600mm×300mm×20mm×24mm鋼梁支撐樓板，并設(shè)置Φ200×24的水平支撐。拉桿上節(jié)點(diǎn)與主體框架梁柱可靠連接，并通過向內(nèi)延伸的框架梁（內(nèi)設(shè)H600×300×30×30型鋼）與核心筒相連并貫通核心筒，核心筒南北剪力墻內(nèi)設(shè)置各4道型鋼柱并下沿兩層，核心筒范圍設(shè)置邊框梁（內(nèi)設(shè)H600×250×30×30），確保拉力在樓層平面內(nèi)平穩(wěn)消散，相關(guān)主體關(guān)鍵構(gòu)件均采用型鋼混凝土構(gòu)件，型鋼強(qiáng)度均為Q355B。連橋板厚150mm，配筋雙層雙向不小于0.25%。

3 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析

基于本工程的重要性和復(fù)雜性，整體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防性能目標(biāo)擬接近《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程》[6]規(guī)定的 “性能目標(biāo)D”，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

3.1 主要參數(shù)

塔樓結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析采用YJK、PMSAP兩種程序。結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，考慮雙向地震作用，偶然偏心為0.05，振型質(zhì)量參與系數(shù)≥90%。整體指標(biāo)計(jì)算時采用剛性樓板假定；內(nèi)力計(jì)算時樓板開大洞處、連體及相關(guān)范圍內(nèi)樓板均按彈性膜假定計(jì)算。

3.2 主要計(jì)算結(jié)果

采用前述兩種計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如表2所示。計(jì)算結(jié)果表明：兩種程序計(jì)算的結(jié)構(gòu)動力特性接近，周期比滿足規(guī)范要求。

表2 主要計(jì)算結(jié)果

3.3 彈性時程分析

根據(jù)《抗震規(guī)范》[7]第5.1.2條及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程》第4.3.4條的要求，應(yīng)采用彈性時程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。時程分析按建筑場地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用二組人工模擬的加速度時程曲線和五組實(shí)際強(qiáng)震記錄（各條波的動參數(shù)略）。所選七條時程波的加速度曲線與地震影響系數(shù)曲線吻合程度較好，其平均加速度曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符?；准袅τ?jì)算結(jié)果表明：彈性時程分析法補(bǔ)充計(jì)算結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果基本一致，滿足規(guī)范要求。

3.4 動力彈塑性時程分析

考慮到工程的重要性和復(fù)雜性，采用SAUSAGE（Seismic Analysis Usage）軟件進(jìn)行動力彈塑性時程分。地震波采用兩組天然波和一組人工波，均采用雙向地震輸入，各方向加速度峰值比例為1.00:0.85。時程分析時輸入地震加速度的最大值，取值為310.0cm/s2（規(guī)范數(shù)據(jù)）。計(jì)算結(jié)果表明：（1）在完成罕遇地震彈塑性分析后，結(jié)構(gòu)仍保持直立，3組波平均最大樓層位移角滿足小于1/100的要求。結(jié)構(gòu)整體性能滿足“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求。（2）連梁損傷明顯，抗壓、抗拉強(qiáng)度退化明顯。罕遇地震作用下連梁起到了一道防線耗能作用。（3）除核心筒底層局部墻肢受壓損傷嚴(yán)重外，在罕遇地震作用下，核心筒剪力墻的工作性能良好。（4）此工程在7度罕遇地震作用下整體受力性能良好。

4 連體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1 鋼連橋-鋼拉桿細(xì)化分析計(jì)算

鋼連廊兩側(cè)分別設(shè)置了Φ180的雙拉桿，有利于防連續(xù)倒塌，強(qiáng)度等級為Q550C。拉桿采用O-O型，兩側(cè)為單板。節(jié)點(diǎn)板采用雙耳板，板厚60mm，節(jié)點(diǎn)板通過銷軸系統(tǒng)與拉桿連接。

根據(jù)計(jì)算分析，各工況下拉桿內(nèi)力如表3所示。（豎向地震力括號內(nèi)為恒活占比統(tǒng)計(jì)）

表3 拉桿力表

4.1.1 鋼拉桿分析（性能目標(biāo)：中震及大震彈性）

拉桿在小震情況下應(yīng)滿足：

Rd、γRE分別為構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值和承載力抗震調(diào)整系數(shù)；

SGE—重力荷載代表值的效應(yīng)；γG—重力荷載分項(xiàng)系數(shù)；γEH—水平地震作用分項(xiàng)系數(shù)；γEV—豎向地震作用分項(xiàng)系數(shù)；SEhk—水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)，尚應(yīng)乘以相應(yīng)的增大系數(shù)、調(diào)整系數(shù)；SEvk—豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)，尚應(yīng)乘以相應(yīng)的增大系數(shù)、調(diào)整系數(shù)；γw—風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)；Ψw—風(fēng)荷載的組合值系數(shù)，應(yīng)取0.2。

拉桿在中震及大震情況下應(yīng)滿足：

拉桿采用180直徑Q550型實(shí)心鋼拉桿，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取550N/mm2，設(shè)計(jì)值取550/1.7=324N/mm2

將小震下拉力代入式（1）可得：

1.2×4508+0.6×704+0.33×50+0.5×498+1.3×793

=7 128.4kN≤16 481.1kN

拉桿在小震下應(yīng)力比為：7 128.4/16481.1=0.43

同理，將中震、大震下拉力代入式（2），拉桿應(yīng)力比為0.56及0.70。

由上述計(jì)算結(jié)果表明，拉桿能夠滿足中震及大震彈性的設(shè)計(jì)要求。

4.1.2 鋼拉桿節(jié)點(diǎn)（性能目標(biāo)：中震及大震彈性）

鋼拉桿端部通過耳板、銷栓系統(tǒng)與梁柱鋼骨連接，耳板、銷栓及與鋼骨的連接設(shè)計(jì)在施工圖階段深化，確保節(jié)點(diǎn)性能目標(biāo)不低于拉桿本身，并保證中震及大震彈性。

拉桿節(jié)點(diǎn)如圖1、2所示。

圖1 拉桿下節(jié)點(diǎn)(mm)

圖2 拉桿上節(jié)點(diǎn)(mm)

拉桿節(jié)點(diǎn)用ANSYS通用有限元軟件分別進(jìn)行了小震、中震、大震下的應(yīng)力分析。以上節(jié)點(diǎn)為例，通過分析表明，滿足小震彈性、中震彈性要求、大震彈性要求。

4.2 連體樓板受剪計(jì)算

按《高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》10.5.7條要求，剛性連接的連接體樓板應(yīng)進(jìn)行受剪截面和承載力驗(yàn)算。

按《高規(guī)》10.2.24條所述公式進(jìn)行計(jì)算，其中bf取連廊樓板寬度11.5m，tf取樓板厚度。

Vf取連體一側(cè)塔樓樓層處所受剪力（小震）9 326kN，由此看出，為了滿足連體樓板的抗剪要求，需設(shè)置板間水平支撐抗剪。如前所述，連接體樓板處均設(shè)置了交叉水平支撐，Φ200×24，Q355B。

V11（混凝土部分）=2 902kN

V12（水平支撐所能承擔(dān)的剪力）V==7 008kN

水平支撐和樓板所能承擔(dān)的剪力V=7 008+2 902=9 910kN ＞Vf，滿足。

V2=5 104kN

綜上所述，連體樓板受剪滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

綜上所述，可以得到以下結(jié)論：

（1）鋼拉桿體系的連接體傳力明確，抗震性能良好。

（2）連體樓板作為連體結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，采取水平支撐等加強(qiáng)措施保證了樓板的安全性。

（3）經(jīng)過多程序?qū)Ρ确治觯具B體高層結(jié)構(gòu)抗震性能滿足規(guī)范要求。