王新震

（濟(jì)南市城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展服務(wù)中心）

在建筑規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大、結(jié)構(gòu)日漸復(fù)雜的背景下，建設(shè)了大量的連體高層建筑。而在強(qiáng)烈地震作用下，建筑連接體容易發(fā)生嚴(yán)重破壞，所以要求加強(qiáng)連接結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，確保建筑在經(jīng)歷罕遇地震時(shí)不會(huì)發(fā)生斷裂等嚴(yán)重災(zāi)害。在建筑連接體設(shè)計(jì)實(shí)踐中，采用滑動(dòng)連接方式具有一定特殊性，需要同時(shí)滿足多重要求，因此應(yīng)加強(qiáng)滑動(dòng)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，保證設(shè)計(jì)出的建筑具有良好的抗震性，能夠保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 建筑滑動(dòng)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

在高層連體建筑中，設(shè)計(jì)的連接結(jié)構(gòu)主要包含兩類，即剛性連接和滑動(dòng)連接，前者多用于連接體結(jié)構(gòu)和塔樓結(jié)構(gòu)，要求主要構(gòu)件至少達(dá)到塔樓一跨位置，并做到可靠連接。在剛性連接結(jié)構(gòu)能夠與塔樓內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成整體的情況下，擁有較高豎向承載力，僅需承受一側(cè)水平荷載，獲得良好水平抗側(cè)剛度和抗剪承載力。但與此同時(shí)，容易導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成薄弱層，給結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)控制帶來(lái)不利影響。相比較而言，滑動(dòng)連接結(jié)構(gòu)不參與主體結(jié)構(gòu)抗側(cè)，擁有清晰的受力、傳力路徑，有助于加強(qiáng)建筑的抗震設(shè)計(jì)。從滑動(dòng)結(jié)構(gòu)受力來(lái)看，將同時(shí)承受兩側(cè)主體的水平荷載，在地震作用下需協(xié)調(diào)兩側(cè)結(jié)構(gòu)變形，因此應(yīng)達(dá)到較高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

2 建筑滑動(dòng)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2.1 工程概況

某現(xiàn)代化商業(yè)-辦公綜合體建筑集商業(yè)、辦公功能為一體，總面積約8.5 萬(wàn)m2，包含南、北兩棟塔樓，呈相對(duì)而立的狀態(tài)。建筑地上部分約7.4 萬(wàn)m2，高67m，包含16層，1～3層為商業(yè)建筑，層高5m，其他層為辦公建筑，層高4m，地下部分約1.1 萬(wàn)m2，僅1 層，建設(shè)地下車庫(kù)和人防工程，層高6m。兩棟塔樓1～3 層建設(shè)公共大平臺(tái)和裙房，連接成一體，通過(guò)擴(kuò)大建筑底盤提高結(jié)構(gòu)抗震性。建筑13 層建設(shè)跨長(zhǎng)29m～31m 的鋼連廊，寬在9m～15m 之間。建筑主體采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，圖1 為平面布置圖，兩棟塔樓保持對(duì)角分布狀態(tài)，上部結(jié)構(gòu)呈“回”字形，導(dǎo)致振型復(fù)雜。由于上、下部位均設(shè)計(jì)連接結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)帶有不規(guī)則性，容易導(dǎo)致塔樓整體剛度減小。通過(guò)鋼連廊連接角部，造成結(jié)構(gòu)整體剛心發(fā)生偏移，難以通過(guò)剛性連接體協(xié)調(diào)兩棟塔樓。在掌握塔樓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析可知南、北側(cè)塔樓之間存在動(dòng)力特性差異，采用剛性連接結(jié)構(gòu)將增加結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在綜合考慮的基礎(chǔ)上，決定采用滑動(dòng)連接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)塔樓連接設(shè)計(jì)，通過(guò)編制科學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案改善建筑抗震性。

圖1 工程平面布置(單位：mm)

2.2 整體結(jié)構(gòu)抗震性分析

在設(shè)計(jì)滑動(dòng)連接結(jié)構(gòu)時(shí)，需要加強(qiáng)建筑整體抗震性分析，確保更好地把握連接體動(dòng)力特性，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，可知建筑需達(dá)到7 度抗震設(shè)防烈度，地震加速度為0.1g，小震和中震的結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，大震的結(jié)構(gòu)阻尼比為0.07。采用MIDASGen 三維有限元分析軟件建模，可知建筑主體框架柱截面有900×1000、800×900 等規(guī)格，設(shè)計(jì)鋼連廊框架柱內(nèi)部設(shè)置十字形鋼，結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度在C35～C50之間，鋼連廊采用H 型鋼實(shí)腹鋼桁架。在輸入相關(guān)參數(shù)后，通過(guò)反應(yīng)譜法對(duì)結(jié)構(gòu)振型進(jìn)行分解，完成雙塔振型周期比較，能夠確定前兩階擁有接近的振型周期，T 在1.9s～2.1s 之間，所以采用滑動(dòng)結(jié)構(gòu)不會(huì)給主體結(jié)構(gòu)水平動(dòng)力特性帶來(lái)過(guò)大影響。從結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振型發(fā)生情況來(lái)看，南側(cè)的塔樓率先在第三周期出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，T 為1.7s，整體振型周期為1.8s，隨后整體出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，T 為1.4s，南側(cè)塔樓振型周期為0.6s。由此可見，滑動(dòng)結(jié)構(gòu)將給結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)性帶來(lái)影響，在結(jié)構(gòu)和兩側(cè)塔樓結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度變形的情況下，將導(dǎo)致建筑整體性下降。

利用模型對(duì)塔樓動(dòng)力特性展開分析，可知樓層最大彈塑性位移角=位移放大系數(shù)×反應(yīng)譜法，求得最大小震彈性位移角，位移放大系數(shù)=罕遇地震作用下最大彈塑性層間位移角/多遇地震作用下最大彈性層間位移角。按照建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)定輸入2條天然波和1條人工波，完成地震波加速譜比較，可知在兩個(gè)X和Y方向地震加速度比達(dá)到1:0.85:0.65 的情況下，主方向峰值達(dá)到35cm/s2。如表1 所示，為塔樓結(jié)構(gòu)在地震作用下樓層剪力分析結(jié)果。從結(jié)果來(lái)看，同時(shí)承受三條地震波作用，將造成底部剪力比反應(yīng)譜法80%要大，每條波作用下的剪力比反應(yīng)譜法的60%要大，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過(guò)彈性時(shí)程分析，能夠得到X 方向上的層間最大位移角為1/886，Y 方向位移角最大達(dá)到1/859，因此結(jié)構(gòu)整體剛度符合要求。從總體上來(lái)看，僅建筑2～3 層存在不均勻的豎向剛度變化，其他層別不存在剛度薄弱層。分析原因可知，建筑采用剪力墻結(jié)構(gòu)，能夠起到減小結(jié)構(gòu)偏心的作用，使建筑扭轉(zhuǎn)得到有效控制。

表1 多遇地震下結(jié)構(gòu)最大基底剪力有限元分析結(jié)果

對(duì)塔樓結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程展開分析，可知在采用滑動(dòng)連接結(jié)構(gòu)時(shí)，在罕遇地震條件下，可以利用纖維素模型分析結(jié)構(gòu)受力情況，通過(guò)實(shí)現(xiàn)多層鋼筋疊加布置，能夠?qū)崿F(xiàn)桿件彎矩和軸力耦合，并通過(guò)混凝土損傷屬性模型分析梁柱、樓板等結(jié)構(gòu)的應(yīng)變效應(yīng)。從分析結(jié)果來(lái)看，結(jié)構(gòu)X 方向的最大基底剪力能夠達(dá)到131484kN，剪重比最大為11.03%，Y 方向最大剪力為163418kN，剪重比為13.71%。相較于多遇地震，在罕遇地震條件下，X和Y 方向的最大剪重比明顯增加，說(shuō)明結(jié)構(gòu)塑性弱，將發(fā)生一般的剛度損傷，總體抗震性依然能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從結(jié)構(gòu)層間位移情況來(lái)看，X 方向最大位移角達(dá)到1/160，Y 方向?yàn)?/139，能夠達(dá)到1/100 的結(jié)構(gòu)變化要求。

2.3 滑動(dòng)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

2.3.1連接結(jié)構(gòu)受力

通過(guò)有限元分析驗(yàn)證采用滑動(dòng)連接結(jié)構(gòu)能夠協(xié)調(diào)兩側(cè)塔樓，滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求后，需做到合理設(shè)計(jì)連接體。設(shè)計(jì)的鋼連廊包含上、下兩榀鋼桁架，通過(guò)上、下弦桿將框架拆分為二，完成特殊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，確保二者可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)。采取該結(jié)構(gòu)，能夠在保留桁架豎向剛度的同時(shí)，產(chǎn)生抗側(cè)剛度，同時(shí)獲得豎向承載和水平抗側(cè)功能。但在結(jié)構(gòu)承受上層荷載的情況下，將導(dǎo)致滑動(dòng)面承受較大壓力，應(yīng)確保弦桿和混凝土梁之間保持可靠的滑動(dòng)連接關(guān)系，避免出現(xiàn)卡軌情況。受罕遇地震作用，建筑樓板可能發(fā)生開裂，導(dǎo)致上弦桿難以通過(guò)上層結(jié)構(gòu)獲得側(cè)向支撐，因此需要使受壓上弦桿和鋼桁架樓層板合二為一，形成成型桿件，并在下層混凝土梁中開槽，放置下弦桿，消除剛性連接可能出現(xiàn)薄弱層的問題?？紤]到下層混凝土梁擁有較大跨度，需要在下弦桿位置設(shè)置豎向受力托板，減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力的產(chǎn)生。托板只承受樓面局部荷載，承受壓力較小，可以有效處理水平的抗側(cè)剛度，避免連接體位置產(chǎn)生過(guò)強(qiáng)抗側(cè)剛度，因此能夠更好地釋放地震作用下的結(jié)構(gòu)軸力。

采用下弦桿滑動(dòng)連接構(gòu)造，需要使下弦桿、鋼腹板分別與下層樓面梁板間預(yù)留50mm 縫隙，防止在罕遇地震條件下滑動(dòng)結(jié)構(gòu)和混凝土沿著水平方向相互接觸乃至發(fā)生碰撞。通過(guò)在下弦桿底部位置布置托板，可以為結(jié)構(gòu)梁提供一定支撐力，減小結(jié)構(gòu)受力，能夠通過(guò)縮小結(jié)構(gòu)梁截面改善外立面線型。在托板和混凝土的接觸面之間，容易發(fā)生摩擦，給滑動(dòng)連接結(jié)構(gòu)受力帶來(lái)影響。分析可知，滑動(dòng)基礎(chǔ)面將承受上層荷載，變化不大，需通過(guò)減小摩擦系數(shù)控制摩擦力的產(chǎn)生。因此采用的連接支座可以使用聚四氟乙烯滑板構(gòu)造，材質(zhì)為高分子，中間設(shè)置不銹鋼板，并在滑板上涂抹硅脂。為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度良好，應(yīng)確認(rèn)板抗壓強(qiáng)度至少達(dá)到20MPa。通過(guò)合理選材，能夠使結(jié)構(gòu)和不銹鋼板摩擦系數(shù)不超0.01，產(chǎn)生的摩擦力僅為豎向荷載的1/100，因此可以直接忽略。從托板受力情況來(lái)看，一旦結(jié)構(gòu)失效將直接造成樓蓋坍塌，所以應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力分析。而托板受力接近于懸臂板，在承受下層樓面荷載的過(guò)程中，應(yīng)力集中在下弦桿端部位置，但與核心受力區(qū)保持較遠(yuǎn)的距離，不會(huì)產(chǎn)生相互影響。由此可見，在托板設(shè)計(jì)上，僅需通過(guò)合理設(shè)置結(jié)構(gòu)厚度和材質(zhì)強(qiáng)度，即可保證結(jié)構(gòu)提供足夠支撐力，為滑動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供安全保障。

2.3.2滑動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，桁架選用Q355 低合金鋼，上、下弦桿截面為H700×400×30×30，設(shè)計(jì)腹桿截面為H500×400×30×30，次梁截面為H500×250×16×20，托板厚達(dá)到150mm。在塔樓和連接體之間，保持9m 寬度，在塔樓和連廊的型鋼柱外設(shè)置外伸牛腿，采取滑動(dòng)連接方式。在牛腿和框架柱內(nèi)部，應(yīng)完成型鋼設(shè)置，并完成箍筋高加密，有效提高結(jié)構(gòu)抗震性能。此外，需在連廊和南側(cè)塔樓間設(shè)置剛性支座，采取鉸接方式連接，與北側(cè)塔樓間設(shè)置滑動(dòng)支座。具體來(lái)講，就是在鋼連廊兩端設(shè)置QZ 球形鋼支座，在垂直方向安裝加寬支座牛腿，確保位移空間足夠，如圖2 所示。在連廊和兩側(cè)塔樓之間，為防止支座墜落，需要設(shè)置JA 彈簧支座，并確保端部和邊梁間縫隙大于位移限值，防止滑動(dòng)結(jié)構(gòu)移動(dòng)時(shí)與二者發(fā)生碰撞，保證結(jié)構(gòu)安全性。采用有限元軟件對(duì)桁架內(nèi)力展開分析，能夠得到弦桿最大應(yīng)力小于0.65，腹桿最大應(yīng)力小于0.75，桁架豎向變形最大可以達(dá)到19.3mm，不超1/400 的撓度限值。建立模型對(duì)各滑動(dòng)支座受力情況展開分析，可知下弦支座承受豎向荷載較大，能夠達(dá)到1500kN，上弦支座承受力較小，僅為450kN，符合滑動(dòng)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路的可靠性。

圖2 滑動(dòng)支座結(jié)構(gòu)(mm)

在確定滑動(dòng)連接支座位移量時(shí)，需要建立構(gòu)造模型，并輸入TH005TG0 波完成彈塑性時(shí)程分析，確定結(jié)構(gòu)最強(qiáng)烈地震響應(yīng)下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移量。在分析過(guò)程中，需要將支座點(diǎn)在X 和Y 方向上的位移矢量值疊加，確定最大的結(jié)構(gòu)位移量。從分析結(jié)果來(lái)看，在罕遇地震作用下，下弦支座在X方向的最大位移量為299m，Y方向最大位移量為206mm，因此需要將控制位移限值分別設(shè)定為300mm和210mm。從上弦支座位移量變化情況來(lái)看，X方向最大位移量為321mm，Y 方向?yàn)?09mm，因此需要將控制限值分別設(shè)定為330mm和210mm?？紤]到遭遇超強(qiáng)地震支座依然可能發(fā)生破壞，在安裝位置較高的情況下，一旦掉落將引發(fā)嚴(yán)重次生災(zāi)害，因此需在鋼連廊兩端布置防墜落線。針對(duì)每個(gè)滑動(dòng)支座，應(yīng)設(shè)置一組鋼絞線，一端連接塔樓鋼架柱預(yù)埋件，一端和鋼腹板預(yù)留口連接，做到將線繃緊，確保每根線可承受1.1 倍連廊重量。建立有限元模型完成連接體結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，可知在罕遇地震和恒載作用下，滑動(dòng)支座并未出現(xiàn)拔力，可以保持良好穩(wěn)定性，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.3連接體舒適度分析

采用滑動(dòng)結(jié)構(gòu)的連接體，除了達(dá)到強(qiáng)度、變形等設(shè)計(jì)要求，同時(shí)需要保證結(jié)構(gòu)使用舒適度。根據(jù)整體模型振型周期分析情況可知，一階模態(tài)振型發(fā)生在塔樓的樓蓋位置，達(dá)到6.3Hz 和7.2Hz 的自振頻率。分析原因可知，與塔樓上部呈“回”字形有關(guān)，導(dǎo)致平面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了剛度下降問題。而從鋼連廊的自振頻率分析結(jié)果來(lái)看，在高階模態(tài)發(fā)生了結(jié)構(gòu)自振情況，振頻分別為6.9Hz 和8.0Hz。根據(jù)高層建筑設(shè)計(jì)要求，建筑各部分結(jié)構(gòu)自振頻率至少應(yīng)達(dá)到3.5Hz，因此連接體設(shè)計(jì)符合要求。在連接體擁有較大跨度的情況下，需要考慮豎向地震作用。通過(guò)分解振型，采用反應(yīng)譜法展開分析，需按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范要求進(jìn)行風(fēng)荷載取值，并確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)體型系數(shù)。在多遇地震作用下，需要同時(shí)考慮風(fēng)荷載和地震組合作用。此外，在建筑后續(xù)使用過(guò)程中，鋼連廊上將發(fā)生各種人行活動(dòng)，所以應(yīng)施加活動(dòng)荷載，確定結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)加速度。利用有限元分析軟件展開分析，能夠得到樓蓋位置豎向振動(dòng)加速度最大達(dá)到0.026m/s2，鋼連廊位置最大加速度值為0.25m/s2，均為超過(guò)0.15m/s2的限值，因此可以保證結(jié)構(gòu)舒適度。

3 結(jié)語(yǔ)

在高層連體建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用滑動(dòng)連接結(jié)構(gòu)能夠更好地滿足建筑抗震設(shè)計(jì)要求，但應(yīng)當(dāng)結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)編制科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，確保采取適合的構(gòu)造措施增強(qiáng)建筑抗震性能。在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，針對(duì)塔樓間存在扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的情況，利用滑動(dòng)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)兩側(cè)建筑，應(yīng)做好整體結(jié)構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)受力分析，采用有限元分析等手段確定支座滑動(dòng)位移量，確保合理設(shè)計(jì)連接體和滑動(dòng)支座，保證在滿足罕遇地震作用下抗震需求的同時(shí)，還能有效控制結(jié)構(gòu)變形。通過(guò)完成連接體舒適度分析，確定能夠防止建筑發(fā)生共振問題，保證鋼連廊結(jié)構(gòu)后續(xù)得到安全、合理使用，從而提升建筑整體抗震性能。