某雙塔連體超高層結(jié)構(gòu)連接體方案設(shè)計與分析*

李英民 陳彬彬 姜寶龍 陳鷙坤

（1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 400045；2.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室 400045；3.華潤置地（重慶）有限公司 400050）

引言

連體結(jié)構(gòu)一般指兩棟或多棟高層建筑之間由架空連接體相互連接，以滿足建筑造型及使用功能的需求［1］。連接體自身受力較復(fù)雜，而且對結(jié)構(gòu)整體的受力性能有較大影響，因此，連接體本身結(jié)構(gòu)形式的選擇和連接體與塔樓間連接方案的選擇，便成為了連接體結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵性問題［2，3］。

本文根據(jù)實際工程案例，選擇了一幢雙塔超高層連接體結(jié)構(gòu)作為研究對象，該工程在連接體與主體塔樓間的連接形式、連接體的位置和連接體內(nèi)桿件間連接方式的選擇上有多種備選方案，為了選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)行各方案下整體結(jié)構(gòu)及連接體的對比分析研究。根據(jù)設(shè)計要求，使用ETABS和SAUSAGE對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性和彈塑性的計算分析，使用ABAQUS對連接體進(jìn)行受力特性的研究和分析，并根據(jù)分析結(jié)果判斷出最佳方案。

1 工程概況

本工程為兩棟超高層連體塔樓、三層地下車庫及配套用房，三層地下室形成大底盤，塔樓建筑平面形狀接近于正方形，局部有不規(guī)則，主體結(jié)構(gòu)采用混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度202.15m，層數(shù)為55層，連接體將兩側(cè)主體塔樓連接起來。建筑效果及結(jié)構(gòu)平面布置見圖1和圖2。本工程設(shè)計中主體與連接體之間采取何種連接方式，連接體位置及連接體內(nèi)部斜腹桿與連接體骨架之間采取何種連接方式等問題值得討論，因此本文針對性地展開分析討論這三種因素對主體結(jié)構(gòu)和連接體的影響，并對比分析各方案下結(jié)構(gòu)及連接體的響應(yīng)特征。

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural effect drawing

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置示意（單位：mm）Fig.2 Structure plan layout（unit：mm）

2 連接體位置及其與塔樓連接方式分析

該建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，場地條件為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為6度。初方案中連接體與主體結(jié)構(gòu)間采用鉸接的連接方式，但規(guī)范［4］指出，連接體結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)宜采用剛性連接，連接體的位置也是工程設(shè)計中討論的重點問題，因此本文對比鉸接與剛接兩種方案的特點以及不同高度布置連接體對整體結(jié)構(gòu)的影響。并運用ETABS分析軟件對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震下的彈性反應(yīng)譜分析，使用SAUSAGE軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下的彈塑性時程分析［5］，以觀察不同的連接方式及連接體高度對結(jié)構(gòu)性能的影響。各結(jié)構(gòu)方案計算簡圖如圖3所示，計算模型示意見圖4。

圖3 各結(jié)構(gòu)方案計算簡圖Fig.3 Calculation sketch of structure scheme

圖4 結(jié)構(gòu)ETABS計算模型Fig.4 ETABS models of structure

2.1 整體結(jié)構(gòu)彈性計算結(jié)果

各方案下結(jié)構(gòu)前6階周期如表1所示，通過ETABS反應(yīng)譜分析計算的各方案小震下結(jié)構(gòu)的層間位移包絡(luò)圖如圖5所示，樓層剪力包絡(luò)圖如圖6所示。以下各計算結(jié)果中，結(jié)構(gòu)的兩個主軸方向分別為X向和Y向，如圖2所示。

表1 各方案下結(jié)構(gòu)周期對比Tab.1 Period of structure scheme models

圖5 小震下結(jié)構(gòu)的層間位移包絡(luò)圖Fig.5 Story drift ratios under frequent earthquake

圖6 小震下結(jié)構(gòu)的樓層剪力包絡(luò)圖Fig.6 Story shear under frequent earthquake

模態(tài)分析方面，由表1的結(jié)果可以看出，方案1與方案2各階周期基本相同，方案3與方案4周期也相差不大，說明在連接體位置不變的前提下，結(jié)構(gòu)周期變化不大，連接方式對結(jié)構(gòu)整體剛度影響不大；方案1比方案3結(jié)構(gòu)周期小1.8%，同樣方案2也比方案4結(jié)構(gòu)周期小1.8%，且方案1和方案2的扭轉(zhuǎn)周期比也要比方案3和方案4小0.8%，說明連接方式相同時，較低位（中上部）的連接體結(jié)構(gòu)剛度要大于較高位（頂層）的連接體結(jié)構(gòu)剛度。

結(jié)構(gòu)響應(yīng)方面，從層間位移角的對比中可以看出，由于連接體所在層側(cè)向剛度突變，因此連接體處的層間位移角突然減小，但整體上除突變位置不同外，四種方案整體層間位移角沒有太大區(qū)別；從層剪力的對比中可以看出，X向地震作用下四種方案差別較小，而Y向地震作用下方案1和方案2產(chǎn)生的各層剪力明顯要小于方案3和方案4，說明在設(shè)計上較低位的連接體結(jié)構(gòu)要略優(yōu)于較高位。

2.2 整體結(jié)構(gòu)彈塑性計算結(jié)果

為了對比各方案結(jié)構(gòu)在大震下的性能，采用SAUSAGE計算分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析，所選取的三條地震波對應(yīng)的反應(yīng)譜曲線如圖7所示。通過大震下的時程分析得出X向?qū)娱g位移包絡(luò)圖如圖8所示，樓層剪力包絡(luò)圖如圖9所示，以及結(jié)構(gòu)連接體所在層樓板的混凝土損傷云圖如圖10所示。

圖7 所選地震波反應(yīng)譜曲線與規(guī)范譜曲線Fig.7 Response spectrum of earthquake ground motions

圖8 大震時程分析結(jié)構(gòu)的X向?qū)娱g位移角包絡(luò)圖Fig.8 Story drift ratios under rare earthquake

圖9 大震時程分析結(jié)構(gòu)的X向樓層剪力包絡(luò)圖Fig.9 Story shear under rare earthquake

由圖8中曲線可以看出，在大震作用下，根據(jù)層間位移角曲線的對比，方案1和方案2層間位移角基本相同，方案3和方案4層間位移角也基本相同，說明在連接體位置不變的前提下，連接方式對結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)的影響并不顯著，這與彈性計算結(jié)果規(guī)律相似。而方案1的最大層間位移角要小于方案3，方案2的最大層間位移角要小于方案4，可以說明連接方式相同時，較高位的連接體結(jié)構(gòu)最大層間位移角要大于較低位的。

圖10 各方案下連接體所在層樓板混凝土損傷云圖Fig.10 Concrete damage of connected floor

由圖9可以看出，各方案下層剪力規(guī)律相似，數(shù)值相差不大，說明連接體的位置和連接方式變化對大震下的層剪力影響較小。

為研究四種方案下連接體所在層樓板的塑形反應(yīng)特征，對比了各條地震波下的連接體所在層樓板的混凝土損傷情況，各條波計算結(jié)果規(guī)律相似，現(xiàn)以結(jié)構(gòu)響應(yīng)較大的天然波2的計算結(jié)果作為代表，列出其損傷云圖如圖10所示。由于地震作用下層剪力分布規(guī)律，較高位的連接體受力要小于較低位的連接體，因此可以從損傷云圖中看出在連接方式相同的情況下，方案1比方案3損傷程度嚴(yán)重，方案2也比方案4損傷程度嚴(yán)重。同時，從損傷云圖中還可以看出，方案1與方案2的拉壓損傷程度相差不大，方案3受拉損傷程度比方案4略小，說明在連接體位置相同的前提下，就樓板損傷情況來說，剛接方案要略優(yōu)于鉸接方案。

2.3 結(jié)構(gòu)計算結(jié)果分析與討論

綜合考慮小震彈性反應(yīng)譜分析和大震彈塑性時程分析的結(jié)果，可以分析總結(jié)出以下規(guī)律：

（1）就連接體位置考慮，與較高位連接體方案3和方案4相比，較低位連接體方案1和方案2的結(jié)構(gòu)基本周期相對較小，整體剛度較大，小震彈性反應(yīng)譜分析下的Y向樓層剪力也較小，大震彈塑性時程分析下最大層間位移角也較小。因此，宜優(yōu)先選擇較低位連接體結(jié)構(gòu)方案1和方案2。

（2）就連接方式考慮，主體與連接體采用剛接還是鉸接對結(jié)構(gòu)動力特性和整體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響并不顯著，尚不能在鉸接和剛接方案中做出選擇。因此將在下文中從其他方面繼續(xù)針對連接方案進(jìn)行分析討論。

3 各連接方案下連接體的有限元分析

3.1 連接體模型概況

連接體（連廊）作為連接兩側(cè)塔樓的重要結(jié)構(gòu)部位，其受力情況復(fù)雜，值得特別關(guān)注。

通過前文對結(jié)構(gòu)整體性能的分析，選擇出了較低位的連接體布置方案（方案1和方案2），但還并未確定主體結(jié)構(gòu)與連接體采取剛接還是鉸接。為了進(jìn)一步對比分析連接體與主體結(jié)構(gòu)連接方案（剛接或鉸接），并考慮連接體內(nèi)構(gòu)件連接（斜桿剛接或鉸接），下文將對連接體建立有限元模型，分析各設(shè)計方案下連接體的受力特征。連接體有限元分析中，各設(shè)計方案立面簡圖（單榀）如圖11所示。

3.2 連接體有限元模型建立

為了精確地分析方案A～D的連接體在地震作用下的受力情況，本文采用ABAQUS有限元軟件對各方案連接體部位進(jìn)行有限元分析，所建立的連接體有限元模型如圖12所示。整個連接體結(jié)構(gòu)由Q345鋼構(gòu)件組成，鋼材本構(gòu)采用雙折線模型，屈服強(qiáng)度為370MPa，極限強(qiáng)度為420MPa，伸長率為5%。建模時采用Beam和Truss單元作為模型的計算單元，通過更換支座形式（邊界條件）來模擬不同的與主體結(jié)構(gòu)的連接方式，以及更換斜桿桿單元類型來模擬不同的斜桿與連接體骨架的連接形式。

圖11 連接體各設(shè)計方案示意Fig.11 Connection scheme of the connector structure

3.3 連接體荷載

連接體有限元模型所施加的荷載取自前文中甄選出的較低位連接體方案的計算分析結(jié)果，連接體各構(gòu)件在小震下應(yīng)保持彈性，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震承載力應(yīng)符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）式（3.11.3-1）［4］的規(guī)定。

根據(jù)上述規(guī)范要求，通過ETABS彈性計算得到連接體邊緣桿件的組合內(nèi)力作為荷載施加，不考慮樓板，直接在連接體一側(cè)端部施加約束，另一側(cè)端部施加荷載。

圖12 連接體有限元模型示意Fig.12 Finite element model

3.4 有限元計算結(jié)果分析

通過有限元分析，得到連接方案A～D下連接體受力時的Mises應(yīng)力云圖如圖13所示，以及最大應(yīng)力和撓度等結(jié)果列于表2。通過圖13可以看出，方案A的最大應(yīng)力要大于方案B，且方案A的應(yīng)力分布比方案B更集中，同樣方案C的最大應(yīng)力也要大于方案D，說明在與主體的連接方式相同的前提下，內(nèi)部斜桿為鉸接時連接體受力更??；方案A與方案C對比，方案C的最大應(yīng)力更大，方案B與方案D對比，方案D的最大應(yīng)力更大，說明在內(nèi)部斜桿連接方式一致的前提下，與主體結(jié)構(gòu)剛接時連接體受力更小。

表2 各連接方案下連接體受力情況Tab.2 Stress and deformation of different connection scheme

由表2可以看出，方案A與方案B相比較而言，方案B的連接體骨架最大應(yīng)力要高出4.03%，但斜桿最大應(yīng)力下浮8.33%，方案B連接體骨架平均應(yīng)力高出3.94%，但斜桿平均應(yīng)力下浮14.74%，且方案A和B連接體的豎向撓度也基本相同。方案C與方案D相比較而言，方案D的斜桿內(nèi)力較小，同樣說明了在與主體的連接方式相同的前提下，內(nèi)部斜桿為鉸接時連接體受力更小。而方案A與方案C對比，方案B與方案D對比，方案A、方案B的桿件內(nèi)力及撓度均要明顯小于方案C和方案D，再次說明在內(nèi)部斜桿連接方式一致的前提下，與主體結(jié)構(gòu)剛接時連接體受力更小。

圖13 各連接方案下連接體應(yīng)力云圖（單位：Pa）Fig.13 Mises stress of different connection scheme（unit：Pa）

圖14 中統(tǒng)計對比了連接體中各類截面構(gòu)件在方案A～方案D下有限元分析時的最大應(yīng)力。從圖14中可以看出，對于不同截面類型的桿件，主體與連接體剛接方案A、方案B下連接體內(nèi)桿件應(yīng)力水平要低于鉸接方案C、方案D。同時，對于主要承重構(gòu)件H700×300×16×22型鋼而言，對比A、方案B兩種方案，可以看出方案B的H型鋼最大應(yīng)力更低，效果更優(yōu)。

圖14 各方案下連接體內(nèi)構(gòu)件最大應(yīng)力直方圖Fig.14 Max Mises stress of different component

綜合以上有限元分析結(jié)果可以看出，在不同連接體方案A～D中，方案B的連接體受力情況相對更好。

4 結(jié)論

1.從本工程整體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)上看，對連接體位置而言，中上部設(shè)置的較低位連接體方案（方案1、方案2）優(yōu)于頂層設(shè)置的較高位連接體方案（方案3、方案4）；而對主體結(jié)構(gòu)與連接體的連接方式而言，由于本工程中的連接體僅有一層，連接體相對于主體結(jié)構(gòu)的剛度較小，協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)整體受力變形的能力有限，因此在地震作用下連接體與主體的連接方式對結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的影響并不顯著。

2.雖然連接體與主體結(jié)構(gòu)間的連接方式對整體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)影響并不大，但根據(jù)連接體有限元分析結(jié)果，鉸接下連接體的內(nèi)力和變形結(jié)果都要大于剛接下的結(jié)果，因此連接體與主體結(jié)構(gòu)間宜選擇剛接方案（方案A、方案B）。

3.連接體內(nèi)部斜桿與骨架間采用剛接時的內(nèi)力要大于采用鉸接時的內(nèi)力，因此連接體斜桿與骨架間選擇鉸接方案（方案B）相對更好。

綜上所述，本文基于實際工程，通過整體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析和特殊部位有限元分析的方法，針對連接體的不同布置高度、不同連接方案對超高層連體結(jié)構(gòu)性能的影響進(jìn)行了對比研究與分析，并比選出了最優(yōu)設(shè)計方案（方案1與方案B的組合）。本文的研究方法和研究成果在相關(guān)連體高層建筑結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計中值得參考，具有一定的借鑒意義。