大底盤雙塔連體復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的連接體設(shè)計(jì)

楊經(jīng)緯，楊佑發(fā)

（1四川省建筑設(shè)計(jì)院，四川成都 610017；2重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045）

大底盤雙塔連體復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的連接體設(shè)計(jì)

楊經(jīng)緯1，楊佑發(fā)2

（1四川省建筑設(shè)計(jì)院，四川成都 610017；2重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045）

大底盤雙塔連體復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)是一種新型結(jié)構(gòu)形式，其連接體是大底盤雙塔連體復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的重要組成部分。連接體可以是架空的樓面，也可以是架空的連廊；可以是一層或者多層；可沿結(jié)構(gòu)豎向設(shè)置一道或者多道。連接體自身受力一般都很復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體受力性能影響較大。結(jié)合工程實(shí)例,該文對(duì)連接體的基本結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了介紹，并對(duì)各種結(jié)構(gòu)形式的受力特點(diǎn)進(jìn)行了分析，討論了連接體的連接方式對(duì)大底盤雙塔連體結(jié)構(gòu)的抗震性能影響，最后利用ETABS有限元分析軟件對(duì)9種結(jié)構(gòu)布置方案進(jìn)行了計(jì)算分析比較，并結(jié)合建筑立面和功能的需要，最終選擇出了最優(yōu)方案。該文可供建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行此類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的連接體設(shè)計(jì)時(shí)參考。

大底盤多塔；連體；復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)；

大底盤雙塔連體復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)是將兩個(gè)塔樓布置在一個(gè)大底盤上，通過架空連體將多個(gè)塔樓連成一個(gè)整體的一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式[1]?，F(xiàn)行《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010[2]和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB5001-2010[3]分別對(duì)大底盤多塔樓、連體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了一部分的相關(guān)規(guī)定，但對(duì)此類復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還未詳細(xì)涉及。此類復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)屬于超限高層建筑，超限高層建筑結(jié)構(gòu)在施工圖設(shè)計(jì)前，都應(yīng)進(jìn)行超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在進(jìn)行此類復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)常常會(huì)遇到意想不到的難題和挑戰(zhàn)。本文正是以此種復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)形式的連接體作為研究對(duì)象，為科研工作者和工程設(shè)計(jì)師們?cè)谶M(jìn)行此類復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的連接體設(shè)計(jì)提供參考。

1 連接體的結(jié)構(gòu)形式

連接體的結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種：

1.1 普通桁架式連接體

桁架結(jié)構(gòu)是由很多軸向受力桿件組成，相連接的桿件之間形成三角形，組成幾何不變體系。它是一種比較好的結(jié)構(gòu)體系，具有承載力高、重量輕、抗震性能好、延性好等優(yōu)點(diǎn)，在大跨度結(jié)構(gòu)中比較常用（圖1.a）。根據(jù)建筑方案的要求，連接體常需要設(shè)置為單層、雙層和多層等各種形式。連接體為多層時(shí)，可僅把最下面一層或幾層做成桁架，起轉(zhuǎn)換的作用，上面幾層可為普通框架結(jié)構(gòu)，通過下部幾層桁架轉(zhuǎn)換（圖1.b）。

圖1 普通桁架式連接體

1.2 空腹式桁架連接體

普通桁架式連接體由于存在許多的斜腹桿，使它在工程應(yīng)用中存在一定的局限性。連接體樓層，建筑功能上往往需要開很多的窗戶，不希望有太多的斜桿，否則會(huì)影響使用。此時(shí)可采用空腹桁架結(jié)構(gòu)（無斜腹桿）?？崭硅旒苡筛鞴?jié)點(diǎn)均為剛接而構(gòu)成幾何不變體系，其超靜定次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般桁架結(jié)構(gòu)。在荷載作用下，空腹式桁架的各桿件表現(xiàn)出更多的梁柱受力特點(diǎn)，各桿件以彎曲為主，存在較大的彎矩和剪力。空腹桁架有以下幾種形式，如圖2。

圖2 空腹桁架的類型

1.3 托梁、吊梁式連接體

連接體與復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層有一定的類似之處。同梁式轉(zhuǎn)換層一樣，連接體可采用一根大梁來承擔(dān)其余框架質(zhì)量以及外荷載。大梁可位于連接體的最低部，即托梁式連接體（圖3.a）；大梁也可位于連接體的最頂部，即吊梁式連接體（圖3b）。

圖3 托梁、吊梁式連接體

托梁、吊梁式連接體的結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，大梁受力明確，樓板受力??；無斜腹桿，施工方便。在此連接體中，托梁和吊梁往往內(nèi)力很大，導(dǎo)致梁截面很大，設(shè)計(jì)存在困難，建筑空間的利用受到限制；此外，這根大梁剛度和自重很大、造成連接體附加豎向剛度突變較大，特別是連接體位置較高時(shí)，對(duì)抗震更加不利。實(shí)際工程中常常可將托梁和吊梁結(jié)合起來運(yùn)用。

各種連接形式自身特點(diǎn)的對(duì)比和適用情況歸納于表1：

表1 連接體形式的特點(diǎn)對(duì)比

2 連接體的連接方式

2.1 剛性連接

此種連接的連接作用最強(qiáng)。它最顯著的特點(diǎn)就是：加強(qiáng)了兩個(gè)塔樓之間的聯(lián)系，使整個(gè)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體共同工作，使結(jié)構(gòu)的整體性得到加強(qiáng)。剛性連接時(shí)，連接體既要承受自身的荷載，又要協(xié)調(diào)兩塔樓在豎向和水平荷載作用下產(chǎn)生的變形。連接體與塔樓相連接的位置會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)力（包括彎矩、剪力、扭矩和軸力），且上、下弦桿所承擔(dān)的彎矩和軸力還會(huì)引成非常大的整體剪力和彎矩。因此，剛性連接要求連接體部分要具有很高的強(qiáng)、剛度。采用此種連接方式時(shí)連接體支座的處理也非常重要，它的正確處理是使得連接體能協(xié)調(diào)左、右塔樓一起共同變形的保障。所以，連接體與主體塔樓的連接要特別加強(qiáng)，連接體可采用型鋼混凝土梁、鋼梁或者鋼桁架，型鋼應(yīng)延伸至主體結(jié)構(gòu)并與主體結(jié)構(gòu)可靠錨固。連接體的樓板應(yīng)適當(dāng)加厚，且適當(dāng)提高其配筋率。與連接體相連的主體塔樓的豎向、水平構(gòu)件也宜適當(dāng)加強(qiáng)，當(dāng)與連接體相連的主體塔樓的豎向、水平構(gòu)件為鋼筋混凝土構(gòu)件時(shí)，構(gòu)件內(nèi)部宜設(shè)置型鋼，并使連接體與其加強(qiáng)錨固。

2.2 鉸接連接

此種連接方式也屬于強(qiáng)連接。它釋放了上、下弦桿端部的彎矩，使端部桿件的內(nèi)力減小，從而連接處的設(shè)計(jì)變得相對(duì)簡(jiǎn)單。但由于連接體端部桿件的負(fù)彎矩變?yōu)榱?，使得連接體的跨中正彎矩增大，同時(shí)它也使連接體對(duì)左、右塔樓共同協(xié)調(diào)工作的作用降低。

2.3 滑動(dòng)連接

剛度較弱的連接體，即使與主體結(jié)構(gòu)采用剛性連接也不能協(xié)調(diào)左、右塔樓的變形，此時(shí)應(yīng)該采用滑動(dòng)連接方式。此種連接方式屬于弱連接，它可以把連接體與主體結(jié)構(gòu)連接的兩端均做成滑動(dòng)連接，也可以是一端鉸接、一端滑動(dòng)連接。采用滑動(dòng)連接時(shí)，連接體受力較小，但它不能再協(xié)調(diào)左、右塔樓的變形，連接體和雙塔基本上處于單獨(dú)受力狀態(tài)，整個(gè)“連體結(jié)構(gòu)”僅僅是一種形式而已。在荷載作用下，連接體滑動(dòng)端存在一定的滑移量，因此在設(shè)計(jì)滑動(dòng)支座時(shí)存在一個(gè)非常關(guān)鍵的問題：設(shè)置限復(fù)位器，并給予預(yù)計(jì)的滑移量，從而防止主體塔樓與連接體發(fā)生碰撞或連接體的滑落等造成結(jié)構(gòu)破壞?；瑒?dòng)連接適用于連接體跨度較小、位置較低的情況。

3 連接體混凝土結(jié)構(gòu)方案與鋼結(jié)構(gòu)方案比較

連接體部分一般采用混凝土和鋼結(jié)構(gòu)兩種方案，兩種方案均能滿足結(jié)構(gòu)的受力要求，但是當(dāng)連接體跨度較大、層數(shù)較多時(shí)，采用混凝土結(jié)構(gòu)方案時(shí)，結(jié)構(gòu)自重較大，結(jié)構(gòu)的梁、柱、斜撐等構(gòu)件截面較大，而且建筑師也常常由于建筑外觀的要求，要求底部?jī)蓪拥慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)件不要裸露在外而影響美觀，況且連接體自重的增加也會(huì)造成連體與塔樓連接部位的剪力墻、柱、梁、基礎(chǔ)等的造價(jià)增加。另外，連接體設(shè)置的部位一般較高，結(jié)構(gòu)形式一般為桁架結(jié)構(gòu)，要求全部桁架構(gòu)件達(dá)到強(qiáng)度后方可拆模。此時(shí)模板要承受連接體的全部荷載，混凝土支模會(huì)有很大難度，且支模費(fèi)用很高，拆模還要考慮桁架的受力。采用鋼結(jié)構(gòu)方案時(shí)，桁架截面尺寸和自重會(huì)大大減小，這樣可滿足建筑立面造型的要求，實(shí)現(xiàn)建筑輕盈、通透、現(xiàn)代的特征；且鋼結(jié)構(gòu)施工快，無需模板，造價(jià)與混凝土相比也較經(jīng)濟(jì)。綜合考慮，鋼結(jié)構(gòu)方案比較合理。

4 工程實(shí)例

本工程地下3層，地上共26層，底盤層數(shù)為5層，層高4.8m，塔樓21層，層高均為3.6m，結(jié)構(gòu)總高度99.6m。地下室為設(shè)備用房和汽車庫(kù)，1～5層為商業(yè)用房，6～26層為辦公用房。上部結(jié)構(gòu)嵌固端取在±0.000（地下室頂板），結(jié)構(gòu)立面布置如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)立面布置圖

連接體部分：采用鋼桁架，鋼材選用Q345-B，樓板為壓型鋼板-混凝土組合樓面。鋼桁架設(shè)置在連體下部幾層，桁架的梁、柱和斜撐均采用焊接H型鋼，鋼桁架樓層均設(shè)置滿布鋼支撐，支撐采用H型鋼。上部幾層為普通鋼框架，其梁、柱也均采用焊接H型鋼。連接體與兩邊的塔樓連接為剛性連接。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)：底盤裙房部分1～5層C45；塔樓部分6～10層C40，10～26層C35。 荷載工況：梁上均布荷載10kN/m2，樓面恒載4.5kN/m2，樓面活載2.0kN/m2。

主要構(gòu)件截面尺寸：底盤部分與上部塔樓相連的框架柱1000mm×1000mm；裙樓其余框架柱均為600mm×600mm；上部塔樓框架柱800mm×800mm；裙樓部分剪力墻厚度300mm，塔樓部分剪力墻厚度250mm；裙樓部分框架梁均為300mm×700mm；塔樓部分框架梁均為250mm×700mm；與連接體相連的主體塔樓的梁、柱均采用型鋼梁、柱。結(jié)合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）[2]中的相關(guān)構(gòu)造要求，底盤樓板厚度120mm，底盤屋面樓板厚度150mm，連接體結(jié)構(gòu)相連接樓層的樓板厚度為150mm；塔樓其余各層樓板厚度均為120mm。

4.1 連接體連接方式對(duì)大底盤雙塔連體帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的抗震性能影響

根據(jù)上述工程實(shí)例，本文采用以下三種常用的連接方式討論。

連接方式一：連接體兩端剛接；連接方式二：連接體一端剛接、一端滑動(dòng)連接；連接方式三：連接體兩端鉸接。

采用ETABS軟件[4]對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，并提取了前18階結(jié)構(gòu)自振周期及其振型質(zhì)量參與系數(shù)，詳圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)自振周期變化曲線

從圖中和計(jì)算結(jié)果表明：（1）三種連接方式的前18階周期和振型質(zhì)量參與系數(shù)變化相對(duì)很小。（2）三種連接方式的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比分別為：0.78、0.773、0.772，表明連接體連接方式的變化對(duì)整體結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)剛度影響較小。（3）由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，僅出現(xiàn)微弱的平扭耦合振型。同時(shí)，某些高階振型的質(zhì)量參與系數(shù)較大，這些高階振型在抗震計(jì)算時(shí)均不能忽略。（4）三種連接方式均選擇18個(gè)振型參與組合進(jìn)行計(jì)算，所選振型的X、Y方向的有效質(zhì)量參與系數(shù)均達(dá)到95%以上。這表明所選擇的振型個(gè)數(shù)滿足《高規(guī)》[2]5.1.13條第3款：“復(fù)雜高層在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于多塔結(jié)構(gòu)的振型數(shù)不應(yīng)小于塔樓數(shù)的9倍，且計(jì)算振型數(shù)應(yīng)使有效質(zhì)量參與系數(shù)不小于總質(zhì)量系數(shù)的90%”的要求。

圖6 X向樓層位移

圖7 Y向樓層位移

圖8 X向樓層位移比

圖9 Y向樓層位移比

圖10 X向樓層位移角

圖11 Y向樓層位移角

圖12 X向樓層剪力

表2 結(jié)構(gòu)連體主要構(gòu)件內(nèi)力變化

從圖6～圖13和表2中可以得出：

（1）三種連接方式左右塔樓X、Y方向的頂點(diǎn)位移，位移曲線相差不是很大。這說明連接體連接方式的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)移影響不是很大。

（2）三種連接方式上部塔樓X向樓層最大位移與平均位移比最大值分別為1.007（第8～15層）、1.007（第8～18層）、1.007（第8～15層），均未超過1.2的限制；上部塔樓Y向樓層最大位移與平均位移比最大值分別為1.005（第17～23層）、1.005（第10～23層）、1.005（第17～23層），均未超過1.2的限制。 可見，連接體連接方式的改變，對(duì)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)影響很小。

（3）三種連接方式上部塔樓X向?qū)娱g位移角最大值分別為1/1623（第16層）、1/1620（第16層）、1/1620（第16層），均小于1/800的限制，層間位移角曲線上在設(shè)置連接體位置出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，這是由于連接體的設(shè)置，導(dǎo)致樓層抗側(cè)剛度突然變大，層間位移角與相鄰上下幾層而言突然變??；Y向?qū)娱g位移角最大值分別為1/1524（第22層）、1/1538（第18層）、1/1451（第22層）、1/1432（第21層），也均小于1/800的限制，層間位移角曲線上在設(shè)置連接體位置無明顯拐點(diǎn)出現(xiàn)?？梢姡B接方式的變化，對(duì)結(jié)構(gòu)的最大層間位移角影響很小。

（4）三種連接方式的X、Y向樓層剪力變化很小。連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)的樓層剪力影響很小。

（5）由表2可知，三種連接方式的連體中部桁架轉(zhuǎn)換梁的內(nèi)力變化較大，對(duì)于轉(zhuǎn)換梁兩端彎矩方式三最大，方式三與方式一基本相等，方式二梁兩端彎矩最小（等于零）；轉(zhuǎn)換梁跨中彎矩三者變化不大；對(duì)于梁兩端剪力算方式一最大，方式三與方式一基本相等，方式二梁兩端剪力最?。豢缰屑袅θ咦兓淮?。三種方式的連體中部桁架承托柱的內(nèi)力變化較小。

4.2 連接體結(jié)構(gòu)形式方案比較

本文對(duì)連接體部分采用以下九種結(jié)構(gòu)形式方案進(jìn)行分析對(duì)比：

表3 各方案數(shù)據(jù)對(duì)比

通過ETABS有限元分析軟件[4]的最大應(yīng)力分析結(jié)果和表3可以得出：（1）九種桁架方案各構(gòu)件的最大應(yīng)力值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。（2）桁架最大彈性撓度前4種方案比后5種方案計(jì)算結(jié)果要大，后5種方案比較接近，其中方案九最小。且九種方案的最大彈性撓度均滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。（3）比較用鋼量：方案五和方案七比較理想。（4）從建筑立面效果和使用功能來看：方案六和方案八較好。

5 結(jié)論

圖14 連接體（桁架式）布置方案

（1）連接體的常用結(jié)構(gòu)形式有普通桁架式、空腹式桁架、托、吊梁式連接體等，在連接體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)各種連接形式的特點(diǎn)和適用情況而選擇合適的結(jié)構(gòu)形式。

（2）連接體與塔樓的連接形式有兩端剛接、兩端鉸接和一端剛接一端滑動(dòng)連接三種基本連接方式。兩端剛接最大的優(yōu)點(diǎn)是：它可以加強(qiáng)兩個(gè)塔樓間的聯(lián)系，使整個(gè)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體共同工作，使結(jié)構(gòu)的整體性得到加強(qiáng)。剛性連接時(shí)，連接體既要承受自身的荷載，又要協(xié)調(diào)兩塔樓在豎向和水平荷載作用下產(chǎn)生的變形。兩端剛接時(shí)，連接體與塔樓相連接的位置往往會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)力，且上、下弦桿所承擔(dān)的彎矩和軸力還會(huì)引成非常大的整體剪力和彎矩。

本文所選的工程實(shí)例，在三種連接方式下，結(jié)構(gòu)的自振周期和振型質(zhì)量參與系數(shù)基本沒有變化，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)側(cè)移、基底剪力等幾乎也沒有變化，但采用鉸接連接時(shí)，連接體內(nèi)力（彎矩、剪力、扭矩）大大減小，同時(shí)撓度有所增大。本文建議：兩端剛接有著自身最大的優(yōu)點(diǎn)，一般是實(shí)際工程中首選的連接方式。當(dāng)連接體本身的內(nèi)力非常大時(shí)，也可以采用兩端鉸接的連接方式，進(jìn)行連接體端部彎矩的釋放，這時(shí)連接體既能起到連接塔樓的作用，本身的受力可以大大減小，對(duì)連接體本身受力較為有利，但是同時(shí)要滿足連接體本身的正常使用的要求。采用滑動(dòng)連接時(shí)，連接體不能再協(xié)調(diào)左、右塔樓的變形，連接體和塔樓基本處于單獨(dú)受力狀態(tài)，此時(shí)“連體結(jié)構(gòu)”僅是一種形式，由于連接體滑動(dòng)端存在一定的滑移量，設(shè)計(jì)滑動(dòng)支座時(shí)必須設(shè)置限復(fù)位器和給予預(yù)計(jì)的滑移量，防止主體塔樓與連接體發(fā)生碰撞或連接體的滑落，一般滑動(dòng)連接僅適用于連接體跨度較小、位置較低的情況。因此，在具體工程設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)不同的情況綜合分析，從而選擇合理的連接方式。

（3）在對(duì)連接體自身進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)各構(gòu)件的最大應(yīng)力值、桁架最大彈性撓度、用鋼量和建筑外立面效果和使用功能等各個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，多選擇幾個(gè)方案進(jìn)行分析對(duì)比，從而選擇最優(yōu)方案。

[1]徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005:122-158.

[2]JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[4]ETABS中文版使用指南[M].北京：北京金土木軟件技術(shù)有限公司，2009.

Connecting Body Design of Complex High-rise Structure of Connected Twin-tower Building with Enlarged Base

The connected twin-tower structurew ith enlarged base isanew form ofstructure,and the connection body isan importantpartof the complex high-rise structure of the connected twin-tower building with enlarged base.The connecting body can be overhead floor and corridor,can be one-layer andmulti-layerand can beestablishedw ith one structureandmore structuresalong the verticalstructure.The stressof connecting body isvery complex,so it exerts comparatively profound impact on the overallmechanical behavior of structure.Based on a practical construction case,basic connection formswith stress featuresare introduced.The impactof connectionmodeson seismic performanceof connected tw in-tower structurewith enlarged base are discussed.Through analysison nine schemesof structural layoutw ith ETABS,and given the requirementsof building facadesand functions,theoptimalconnection scheme isselected.This research can providesomeuseful references for relevantdesigners.

connectedmulti-tower structuresw ith enlarged base;connecting body；complex high-rise structure

TU 398.7

A

1671-9107（2012）10-0027-06

10.3969/j.issn.1671-9107.2012.10.027

2012-07-20

楊經(jīng)緯(1981-)，男，四川人，工學(xué)碩士，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

孫蘇