有關(guān)高層建筑連體結(jié)構(gòu)設(shè)計受力特點與設(shè)計要點的探討

趙玉紅 焦亞娟

摘要: 高層建筑連體結(jié)構(gòu)可使建筑型體更具特色。但由于連體的存在，給高層結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計提出了更高的要求。本文就復(fù)雜高層建筑連體結(jié)構(gòu)設(shè)計受力分析與設(shè)計要點進行探討。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜高層建筑；連體結(jié)構(gòu)；受力分析；設(shè)計要點

引言

連體建筑氣勢宏偉，深受群眾喜愛。但由于連體結(jié)構(gòu)的存在，使得原來彼此獨立的各單體結(jié)構(gòu)成為一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的一部分，這就給高層結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計提出了更高的要求：如何高效、準確地對復(fù)雜高層連體結(jié)構(gòu)體系進行分析和設(shè)計，己成為一個急侍解決的重要課題。筆者根據(jù)多年的工作經(jīng)驗，就這方面的設(shè)計心得加以探討，希與同行共同切磋。

一、連體結(jié)構(gòu)的形式及特點

目前，連體高層建筑結(jié)構(gòu)主要有兩種形式。第一種形式稱為架空連廊式，既兩個結(jié)構(gòu)單元之間設(shè)置一個(層)或多個(層)連廊，連廊的跨度從幾米到幾十米不等，連廊的寬度一般約在10m之內(nèi)；另一種形式稱為凱旋門式，整個結(jié)構(gòu)類似一個巨大的“門框”，連接體在結(jié)構(gòu)的頂部若千層與兩端“門柱”(既兩側(cè)結(jié)構(gòu))連接成整體樓層，連接體的寬度與兩側(cè)門柱的寬度相等或接近，兩側(cè)“門柱”結(jié)構(gòu)一般采用對稱的平面形式，具體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1所示。

圖1 連體結(jié)構(gòu)凱旋門式結(jié)構(gòu)

二、連體結(jié)構(gòu)的受力特點

連體結(jié)構(gòu)的受力比一般單體結(jié)構(gòu)或多塔樓結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：

1、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動變形較大，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較明顯。

由計算分析及相關(guān)的振動臺試臉說明，連體結(jié)構(gòu)自振振型較為復(fù)雜，前幾個振型與單體結(jié)構(gòu)有明顯區(qū)別，除順向振型外，還出現(xiàn)反向振型，扭轉(zhuǎn)振型豐富，扭轉(zhuǎn)性能差，在風(fēng)荷載或地震作用下，結(jié)構(gòu)除產(chǎn)生平動變形外，還會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形；同時，由于連接體樓板的變形，兩側(cè)結(jié)構(gòu)還有可能產(chǎn)生相向運動，該振動形態(tài)與整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動藕合，當(dāng)兩側(cè)結(jié)構(gòu)不對稱時，上述變形更為不利.當(dāng)?shù)谝慌まD(zhuǎn)頻率與場地卓越頻率接近時，容易引起較大的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)，易使結(jié)構(gòu)發(fā)生脆勝破壞。

對多塔連體結(jié)構(gòu)，因體型更復(fù)雜，振動形態(tài)也將更為復(fù)雜，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)更加明顯。

2.連體結(jié)構(gòu)中部剛度小，而此部位混凝土強度等級又低于下部結(jié)構(gòu)，從而使結(jié)構(gòu)薄弱部位由結(jié)構(gòu)底部轉(zhuǎn)移到連體結(jié)構(gòu)中場樓（兩側(cè)結(jié)構(gòu))的中下部，設(shè)計中應(yīng)予以充分注意。

3、連接體部分受力復(fù)雜。

連接體部分是連體部位的關(guān)鍵部位，受力復(fù)雜。連接體一方面要協(xié)調(diào)兩側(cè)結(jié)構(gòu)的變形，另一方面不但在水平荷載作用下承受較大的內(nèi)力，當(dāng)連接體跨度較大，層數(shù)較多時，豎向荷載(靜力)作用下的內(nèi)力也很大。同時，豎向地震作用也很明顯。

4、連接體結(jié)構(gòu)與兩側(cè)結(jié)構(gòu)的連接是連體結(jié)構(gòu)的又一關(guān)鍵問題。

連接部位受力復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，易發(fā)生脆性破壞。如處理不當(dāng)，將難以保證結(jié)構(gòu)安全。

歷次地震中，連體結(jié)構(gòu)的度害都較為嚴重，特別是架空連廊式連體結(jié)構(gòu)。兩個結(jié)構(gòu)單元之間有多個連體的，高處連廊首先塌落，底部的連廊有的沒有塌落。

兩個結(jié)構(gòu)單元高度不等或體型、平面和剛度不同，則連體結(jié)構(gòu)破壞尤為嚴重。

三、連體結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

基于上述分析，高層建筑連體結(jié)構(gòu)在設(shè)計時，應(yīng)該注意以下事項：

1、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。其中，7度、8度抗震設(shè)計時，層數(shù)和剛度相差懸殊的建筑不宜采用連體結(jié)構(gòu)。

2、連體結(jié)構(gòu)的整體及各獨立部分結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)盡可能簡單、規(guī)則、均勻、對稱，減少偏心?？箓?cè)力構(gòu)件布置宜周邊化，以增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

3、連接體部分是連體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，設(shè)計中應(yīng)注意以下幾點：

(1)連體結(jié)構(gòu)的連接體宜按中震彈性設(shè)計，既地震作用下的內(nèi)力按中震進行計算。

(2)應(yīng)盡量減輕連接體部分結(jié)構(gòu)自重，應(yīng)優(yōu)先采用鋼結(jié)構(gòu)析架，也可采用鋼筋、型鋼混凝土架、型鋼混凝土梁等結(jié)構(gòu)形式。

當(dāng)連接體包含多個樓層時，最下面的一層宜采用鋼結(jié)構(gòu)析架結(jié)構(gòu)形式，并應(yīng)加強最下面的1-2個樓層的設(shè)計和構(gòu)造措施。

(3)架空的連接體對豎向地震的反應(yīng)比較敏感，尤其是跨度較大、層數(shù)較多的連接體對豎向地震的反應(yīng)更加敏感。所以，連體結(jié)構(gòu)的連接體部分應(yīng)考慮豎向地震的影響。近似計算時，豎向地震作用的標(biāo)準值可取連接體部分重力荷載代表值的10% (8度抗震設(shè)計)，并按各構(gòu)件所分擔(dān)的重力荷載代表值的比例進行分配。

(4)連接體部分的樓板厚度不宜小于150mm，并應(yīng)用于雙層雙向配筋，每層每方向的配筋率不宜小于0.25%.連接體部分的端跨梁截面尺寸宜適當(dāng)加大。

(5)抗震設(shè)計時，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的連接體及與連接體相連的兩側(cè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級應(yīng)提高一級采用，一級提高至特一級，如構(gòu)件原抗震等級已經(jīng)為特一級則不再提高。

以下以某工程實例為例，介紹連體結(jié)構(gòu)的主要計算參數(shù)。

（1）結(jié)構(gòu)計算分析

采用了SAME和ETABS兩種不同計算模型的計算分析程序，對該工程進行了彈性及彈塑性分析，計算中采用分塊剛性樓板加彈性板(連體部位)模型。分析結(jié)果如下所圖2所示。

圖2 分析模型示意圖

（2）彈性靜力整體計算方法。

本工程由兩棟高層塔樓組成，建筑高度120m，基本風(fēng)壓：w。=90 kN / mz；地震烈度：地區(qū)地震基本烈度：7度，設(shè)計地震基本加速度值：0. l:g，設(shè)計地震分組：第一組，擬建場地土類型屬中硬土。為滿足建筑功能要求，兩棟塔樓在頂部位置設(shè)三層連廊連接，連廊層高6 m，連廊跨度35m。本次分析中分別采用SAME和ETABS程序，其彈性靜力整體計算結(jié)果見表1所示：

表1 連體結(jié)構(gòu)周期、位移、剛度比計算結(jié)果

總結(jié)

連體結(jié)構(gòu)體型較復(fù)雜，其連接體受力更為復(fù)雜。在地震作用下，連體結(jié)構(gòu)的連接體易形成薄弱部位，破壞較嚴重。其具體設(shè)計時，應(yīng)充分考慮以下幾點：

（1）宜結(jié)合工程實際情況，對連體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，確定比較合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。計算結(jié)果表明，本工程所選的低位弱連接方式是較合理的。

（2）連接體對豎向地震的反應(yīng)比較敏感，抗震設(shè)計時應(yīng)根據(jù)相應(yīng)規(guī)范要求考慮豎向地震的影響。

（3）連體結(jié)構(gòu)振型較為復(fù)雜，宜整體建模對結(jié)構(gòu)進行詳細分析。同時連體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)性能差，扭轉(zhuǎn)振型豐富，水平地震作用計算時應(yīng)考慮雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng).

（4）支座部位承載力設(shè)計時宜按考慮罕遇地震作用的最不利內(nèi)力進行，支座滑移量應(yīng)滿足在罕遇地震作用下的位移要求。

參考文獻

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