某雙塔連體綜合樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡析

李 凱 劉文良

1 工程概況

該綜合樓位于太原市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，地下 2層，地上 10層，總高43.2m，東西向 72m，南北向 25m。該結(jié)構(gòu)地面以上 4層為底盤，5層以上為兩個塔樓，在 8層 ～9層采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)將兩塔樓相連。連廊跨度為 18m，寬度 8m。本工程選用整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，結(jié)合樓梯間和電梯間布置剪力墻。此工程抗震設(shè)防烈度為 8度，地震基本加速度值為 0.2g，Ⅲ類場地土，設(shè)計地震分組為第一組，地震影響系數(shù)最大值αmax= 0.16，結(jié)構(gòu)阻尼ξ=0.05，場地特征周期為0.45 s。

該工程連體部分與主體結(jié)構(gòu)采用強連接形式進行設(shè)計。根據(jù)JGJ 3-2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，此工程為大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)，體型特殊，受力復(fù)雜，屬于復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)。尤其是雙塔之間的連體部分，是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵部位。

2 結(jié)構(gòu)分析

本工程為大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)，體型復(fù)雜，局部存在SRC結(jié)構(gòu)，按規(guī)范要求應(yīng)采用兩個不同力學(xué)模型的三維空間分析軟件進行多遇地震作用下的內(nèi)力和變形分析。本工程采用SATWE和PMSAP軟件進行分析和相互校核。地震作用計算方法采用振型分解反應(yīng)譜法和多遇地震下的時程分析補充計算。在采用 SATWE軟件進行計算時，振型數(shù)取 18，同時考慮雙向地震和偶然偏心作用，并將連體部分樓板定義為彈性膜?？蚣芸拐鸬燃墳槎墸袅拐鸬燃墳橐患?。

1)SATWE軟件主要計算結(jié)果見表1。

表1 SATWE軟件主要計算結(jié)果

計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

2)雙塔的地震響應(yīng)分析。

《高規(guī)》規(guī)定，連體結(jié)構(gòu)各獨立部分宜有相同或相近的體型，平面和剛度，否則可能導(dǎo)致更為復(fù)雜的地震響應(yīng)。在 33所綜合樓項目設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，剛度較弱的塔體由于在地震作用下的位移較大，由SATWE計算結(jié)果中的結(jié)構(gòu)整體空間振動簡圖可以看出塔體與連體結(jié)構(gòu)的連接處變形過大(如圖1所示)，可能導(dǎo)致混凝土開裂。因此，在進行多塔連體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，盡量通過調(diào)整剪力墻的截面和布置使得各塔的側(cè)向剛度接近，這樣可以盡量減少地震對結(jié)構(gòu)的不利作用。關(guān)于各塔結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)也可以通過反應(yīng)譜分析結(jié)果估算。以本工程為例，在圖 2中給出反應(yīng)譜計算的地震作用下的最大樓層位移角曲線，如果各塔的抗側(cè)剛度相等，則曲線應(yīng)該基本吻合;假如抗側(cè)剛度不等，則曲線會出現(xiàn)分支。根據(jù)最大樓層位移曲線可以看出，X向兩塔剛度基本相同，Y向在 7層 ～9層塔1剛度大于塔 2，兩塔的側(cè)向剛度不同會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)加劇，兩塔的動力特性不同也會進一步加劇地震反應(yīng)。所以要盡量調(diào)整使7層～9層兩塔 Y向剛度接近，本工程經(jīng)調(diào)整梁，柱，剪力墻的布置及幾何尺寸，使塔1在 7層 ～9層最大位移約為塔 2的80%，兩塔剛度基本達到接近。因塔 2剛度較小，Y向位移較大，且局部柱子出現(xiàn)較大有害位移，所以將塔 2中 7層～9層柱箍筋全長加密，并提高主體結(jié)構(gòu)外圍剪力墻的豎向配筋率至 0. 5%。地震作用下樓層最大剪力曲線見圖 3。

3 雙塔連體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計及構(gòu)造措施

1)連體部分的設(shè)計。連體結(jié)構(gòu)屬于不規(guī)則結(jié)構(gòu)，根據(jù)《高規(guī)》抗震設(shè)計時，連接體及與連體相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級提高一級采用，本工程與連體部分相連的剪力墻抗震等級設(shè)為特一級，框架柱設(shè)為一級，連體部分梁抗震等級設(shè)為一級。連體部分是連體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，其受力比較復(fù)雜，一方面要協(xié)調(diào)兩側(cè)結(jié)構(gòu)的變形，在水平荷載作用下承受著較大的內(nèi)力，另一方面由于本身跨度較大，除豎向荷載作用外，豎向地震作用影響也較明顯[3]。在設(shè)計中，通過方案比較，調(diào)整連接體的剛度，使之能協(xié)調(diào)兩塔樓的剛度，控制整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形。連體部分主受力結(jié)構(gòu)采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。太原為 8度區(qū)，連接體考慮豎向地震作用且采用中震彈性設(shè)計方法，以保證關(guān)鍵部位在中震作用下無損傷，在罕遇地震作用下延遲進入屈服狀態(tài)。連接體為 2層，經(jīng)計算最底層采用 400×1 200(內(nèi)置型鋼H 700×400×14×20)型鋼混凝土主梁，中間和屋面層采用 400×1 000(內(nèi)置型鋼H 600×400×12×18)型鋼混凝土主梁，樓蓋為鋼筋混凝土井字梁。

2)連體型鋼混凝土梁與主塔樓連接節(jié)點設(shè)計。連體結(jié)構(gòu)采用剛性連接，連接處受力很大，為有效地提高連體的承載力和在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的延性，設(shè)計中在與連體梁連接的柱內(nèi)設(shè)置型鋼(700×700柱內(nèi)置雙型鋼H 400×250×18×12)，經(jīng)計算在中震作用下不屈服。連廊與主塔樓連接節(jié)點設(shè)計極為重要，型鋼混凝土梁與主塔樓柱內(nèi)型鋼通過焊接形成剛性節(jié)點，并考慮對支座彎矩的調(diào)整，柱內(nèi)型鋼向上、向下各伸一層，以解決局部承壓及荷載傳遞問題(見圖4)。

3)連體部分樓，屋面和大底盤屋面構(gòu)造措施。當(dāng)風(fēng)或地震作用時，結(jié)構(gòu)除產(chǎn)生平動變形外，還將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，為了保證兩塔樓共同振動，需將兩塔樓的連體部分樓面剛度加大，使其猶如一個剛性層[3]，因此連體部分的樓板板厚和梁高要適當(dāng)加大。此外，連體部分樓層的樓板和梁在兩塔樓的同向平動和相向運動中，受力很不利。連接體樓面可考慮相當(dāng)于作用在一個主體部分的樓層水平拉力和面內(nèi)剪力上[5]，所以連接層梁板的上、下鋼筋應(yīng)通長布置。本工程連體部分樓板厚度均取 150mm，并采用雙層雙向鋼筋網(wǎng)，且配筋率大于 0.3%，并宜考慮適當(dāng)布置斜向鋼筋。

樓層剪力和位移角突變發(fā)生在大底盤面處。大底盤屋面層上下層是結(jié)構(gòu)首先出現(xiàn)塑性鉸的部位，也是受力較大的區(qū)域，特別是裙房與塔樓相交處受力復(fù)雜，需特別加強。本工程加大裙房屋面板及上下層的板厚(均為150mm)，并采用雙層雙向鋼筋網(wǎng)，配筋率大于 0.3%。將裙房屋面上一層及下面各層剪力墻的邊緣構(gòu)件均按約束邊緣構(gòu)件考慮并加強配筋，加大連梁的配箍率，加大裙房屋面上下層的柱配筋，保證裙房上下層的延性。

4 結(jié)語

多塔連體結(jié)構(gòu)平面和豎向的不均勻很可能造成結(jié)構(gòu)的平面扭轉(zhuǎn)不利及豎向剛度突變，這些都給結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計增加了很大的難度。由于目前各規(guī)范中對于類似本工程復(fù)雜體型建筑的抗震設(shè)計還沒有相應(yīng)的很明確的設(shè)計條文，且目前的大量研究側(cè)重于理論探討，故本文在總結(jié)該綜合樓結(jié)構(gòu)設(shè)計時所提出的一些需注意的問題與結(jié)論，僅供設(shè)計同行在進行同類結(jié)構(gòu)設(shè)計時進行比較與參考。

[1] GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2008年版)[S].

[2] JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 徐培福，傅學(xué)怡.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[4] 陳岱林，劉民易.PKPM結(jié)構(gòu)CAD軟件問題解惑及工程應(yīng)用實例解析[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

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[6] 李軍華.大底盤雙塔高位連體結(jié)構(gòu)的實例分析與設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu)，2008(7):38-39.

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