連體結(jié)構(gòu)傳力機(jī)制分析及連接體抗震設(shè)計(jì)

陳文科，唐浩峰

（1重慶大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，重慶 400045；2林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶 401121）

0引言

連體建筑往往因?yàn)槠洫?dú)特的建筑造型成為城市中的地標(biāo)建筑。連體可解決高層建筑中兩個(gè)獨(dú)立高層塔樓間的交通問題。在有些高層建筑中連體不僅作為兩個(gè)塔樓的交通聯(lián)系，還具備一定的建筑功能。近年來中國涌現(xiàn)了幾座優(yōu)秀的連體建筑，如北京CCTV主樓[1]、重慶來福士廣場、蘇州東方之門、武漢保利廣場[2]等。

受塔樓剛度、質(zhì)量、連接方式和位置以及連接體高寬比等多種因素的影響，每個(gè)連體結(jié)構(gòu)均有其自身的抗震設(shè)計(jì)思路。在連體結(jié)構(gòu)中，連接樓層是建筑形體、功能的亮點(diǎn)區(qū)域，同時(shí)也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的一環(huán)。清晰認(rèn)識(shí)到連接體對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，評(píng)估連接體各構(gòu)件的貢獻(xiàn)大小，進(jìn)而確定其性能目標(biāo)是連體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

某項(xiàng)目為非對(duì)稱高位剛性連接的框架核心筒結(jié)構(gòu)，建筑效果如圖1所示。本文以連接體的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)要點(diǎn)為立足點(diǎn)，嘗試從剛度和承載力方面還原完整的抗震設(shè)計(jì)過程，以期為類似案例提供參考。

圖1 項(xiàng)目建筑效果圖

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為昆明市某超高層建筑，是集多功能為一體的高密度大型TOD綜合體項(xiàng)目，由兩棟相互連接的塔樓和裙房組成。設(shè)防烈度為8度（0.2g），設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場地類別Ⅲ類，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)。T1塔（高塔）為框架核心筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度為195.15m，高寬比為4.13；T2塔（低塔）為框架核心筒結(jié)構(gòu)（核心筒偏置），結(jié)構(gòu)高度為138.15m，高寬比為5.90。標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖2所示?？蛑缘撞?500mm*1500mm漸變至1000mm*1000mm，剪力墻自底部1200mm漸變至頂層600mm?？蚣芰旱牡湫徒孛鏋?00*1000/900mm。豎向構(gòu)件混凝土C60-C40，梁板混凝土強(qiáng)度為C40。該項(xiàng)目采用了消能減震措施，共采用了136套屈曲約束支撐、8個(gè)懸臂式阻尼桁架及168套粘滯阻尼器以減小地震力。文中意在說明連體結(jié)構(gòu)本身的響應(yīng)規(guī)律，故均采用非減震結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

連接體通過3層4個(gè)樓面剛性連接。連接體跨高比為1.5，由3榀主桁架和1榀次桁架以及頂層和底層的樓板面內(nèi)支撐組成主傳力體系。連體還存在最大懸挑長度為9.8m的附屬結(jié)構(gòu)。連體為鋼結(jié)構(gòu)，采用Q390鋼材。連體平面布置圖、立面圖及剖面圖如圖3—圖5所示。主桁架上下弦桿均為箱型截面，截面為700mmx700mmx40mm或700mmx700mmx30mm。斜腹桿為H型鋼，截面為700mmx500mmx30mmx40mm。

圖3 連體平面示意圖

圖4 主桁架立面示意

圖5 次桁架立面示意

2 連接方式

該結(jié)構(gòu)選用兩棟塔樓強(qiáng)聯(lián)系的剛接方法。它不僅承擔(dān)了豎向荷載，還協(xié)調(diào)了兩個(gè)塔樓在水平作用下的變形[3]。因此，連體最大程度提高結(jié)構(gòu)剛度和冗余度，降低了構(gòu)造處理難度。若采用通常的柔性連接，則支座需要復(fù)雜的構(gòu)造處理，并且兩棟塔樓顯著的動(dòng)力特性差異及高烈度影響因素使得滑動(dòng)支座的行程難以滿足。經(jīng)與該項(xiàng)目的超限審查專家充分溝通，并結(jié)合實(shí)際情況，最終確定了剛性連接方案。

3 動(dòng)力特性

連體結(jié)構(gòu)振型豐富、平扭偶聯(lián)加大。宏觀理解結(jié)構(gòu)振型有利于結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)。PKPM和ETABS計(jì)算的前6階模態(tài)如表1、表2所示。ETABS計(jì)算的單塔的模態(tài)如表3、表4所示。

表1 連體前6階模態(tài)（PKPM計(jì)算）

表2 連體前6階模態(tài)（ETABS計(jì)算）

表3 T1塔前6階模態(tài)（ETABS計(jì)算）

表4 T2塔前6階模態(tài)（ETABS計(jì)算）

PKPM與ETABS結(jié)果反映了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一致性。T1塔因高度更高，比T2塔周期更長、剛度更柔。T2塔通過優(yōu)化構(gòu)件截面、設(shè)置防屈曲約束支撐的方式，最大程度減小了核心筒偏置造成扭轉(zhuǎn)過大的影響，其扭轉(zhuǎn)周期比為0.69。高寬比是影響結(jié)構(gòu)周期的主因[4]，故T1塔與T2塔無法表現(xiàn)出一致的周期，從而形成剛度大的低塔幫助高塔的“幫扶機(jī)制”，這種幫扶機(jī)制使得連接體承受了巨大的彎矩和面內(nèi)剪力。

得益于單塔動(dòng)力特性的優(yōu)化，連體前三階周期幾近解耦且各質(zhì)量參與系數(shù)較高，前30個(gè)振型的質(zhì)量參與系數(shù)便超過90%。自4階振型開始，連體結(jié)構(gòu)平扭偶聯(lián)加大。如圖6所示，連體結(jié)構(gòu)X方向剛心、質(zhì)心較大偏差是造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的主因。結(jié)構(gòu)的水平變形由3部分組成：第一振型下X方向平動(dòng)（效應(yīng)1）、扭轉(zhuǎn)偶聯(lián)產(chǎn)生的水平分量（效應(yīng)2）、附加5%偏心距產(chǎn)生的水平分量（效應(yīng)3）。

圖6 結(jié)構(gòu)變形分解示意

4 水平地震作用下的傳力機(jī)制

4.1 Y方向地震作用下的傳力機(jī)制

該結(jié)構(gòu)在Y方向類似巨型門式剛架的受力機(jī)制。采用如圖7所示力學(xué)模型，說明其受力特點(diǎn)：F1、F2產(chǎn)生的傾覆力矩為各構(gòu)件承受彎矩的總和。令i3=∞，考察兩桿軸力形成的力矩占傾覆力矩的比例κ，得到下式：

圖7 結(jié)構(gòu)受力簡圖

隨著i3逐漸增大，受EF桿、BC桿剛度限制，κ與結(jié)構(gòu)內(nèi)力趨于穩(wěn)定。當(dāng)i3=∞時(shí)，EF桿與BC桿根據(jù)自身線剛度承擔(dān)剪力，二者彎矩圖相似，反彎點(diǎn)位于兩桿各自的幾何中點(diǎn)；BE桿的拉壓由兩桿線剛度的相對(duì)強(qiáng)弱決定。

據(jù)以上推導(dǎo)可知，B塔Y方向傾覆力矩由兩部分組成：第一部分為反映兩棟塔樓抗側(cè)剛度的各構(gòu)件彎矩的總和，第二部分為反映連接體連接強(qiáng)弱程度的拉壓軸力產(chǎn)生的傾覆力矩，且第二部分占比存在上限κ。施加規(guī)定水平力，并將連接體寬泛地視為一根水平梁，得到B塔κ隨連體剛度的變化，如圖8所示。連接體的κ在18%處出現(xiàn)快速增長的拐點(diǎn)?？偟膩碚f，連接體受力類似小跨高比連梁，承受了巨大的彎矩和剪力。而連接體的頂層和底面的水平桿承受了彎矩，連接體腹桿承受了剪力。通過后文的內(nèi)力計(jì)算，發(fā)現(xiàn)連接體腹桿內(nèi)力大，性能控制較弦桿和面內(nèi)斜撐困難。在Y向地震作用下，表現(xiàn)為T2塔幫扶T1塔。

圖8 隨連體剛度的變化關(guān)系

4.2 X方向地震作用下的傳力機(jī)制

在X方向，兩棟塔樓依靠樓板建立了弱聯(lián)系作用，兩棟塔樓受力類似懸臂桿。結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的總效應(yīng)由效應(yīng)1、2及3疊加組成（圖6）。ETABS截面切割得到高塔通過樓面向低塔傳遞水平剪力，約6100kN。由細(xì)分各樓層承擔(dān)的水平力可知，連接體的底層與頂層承擔(dān)剪力較中間樓層略大。結(jié)合結(jié)構(gòu)在Y方向水平地震作用下，連接體頂層與底層樓板作為翼緣因抵抗彎矩也會(huì)產(chǎn)生較大面內(nèi)應(yīng)力，因此連體頂層樓板較底層更加不利。綜合考慮后，連接體頂層與底層樓板厚度為150mm，并設(shè)置面內(nèi)型鋼支撐，以緩解樓板應(yīng)力并作為二道防線。

5 連接體的性能設(shè)計(jì)

5.1 計(jì)算條件的幾點(diǎn)考慮

施工模擬會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)自重作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力產(chǎn)生影響。經(jīng)與施工單位充分溝通，擬采用整體提升方式，且在兩棟塔樓封頂后提升，施工加載步驟采用與實(shí)際施工次序一致的計(jì)算結(jié)果。

收縮徐變是混凝土材料的長期變形特點(diǎn)。連接體考慮徐變的長期絕對(duì)豎向變形為短期彈性變形的2.3倍左右。連體合攏后，后期荷載產(chǎn)生的豎向位移差約10mm。這種差異位移對(duì)連體桿件內(nèi)力影響較小。

豎向地震作用對(duì)連體結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生影響。對(duì)于整體結(jié)構(gòu)而言，豎向地震對(duì)非懸挑及常規(guī)跨度的結(jié)構(gòu)影響較小。而對(duì)于大跨連體結(jié)構(gòu)的桿件而言，豎向地震下桿件軸力是重力荷載代表值下軸力的20%～30%左右，因此該項(xiàng)目豎向地震不容忽視，所以內(nèi)力組合時(shí)豎向地震工況的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力采用三向地面運(yùn)動(dòng)輸入的彈性時(shí)程分析結(jié)果。

5.2 設(shè)防水準(zhǔn)下連接體性能識(shí)別

該項(xiàng)目連體設(shè)定的性能目標(biāo)如表5所示。桁架A及連接體頂層面內(nèi)斜撐在設(shè)防水準(zhǔn)下的應(yīng)力比如圖9、圖10所示。內(nèi)力取考慮樓板剛度和不考慮樓板剛度的包絡(luò)。桿件按照雙偏壓構(gòu)件計(jì)算強(qiáng)度及穩(wěn)定性。括號(hào)中所示為設(shè)防水準(zhǔn)下的正應(yīng)力比與剪應(yīng)力比。桁架腹桿軸力普遍大于弦桿。但各構(gòu)件的剪力均很少，在設(shè)防烈震下可很容易滿足剪切彈性。

表5 連接體性能目標(biāo)

圖9 桁架A設(shè)防水準(zhǔn)應(yīng)力比

圖10 連接體頂層面內(nèi)斜撐應(yīng)力比

5.3 罕遇水準(zhǔn)下連接體性能識(shí)別

表6所示為對(duì)應(yīng)桿件的等效中震、罕遇水準(zhǔn)下彈塑性時(shí)程的控制內(nèi)力。由此可見，設(shè)防水準(zhǔn)下構(gòu)件內(nèi)力與罕遇水準(zhǔn)下彈塑性時(shí)程得到的構(gòu)件內(nèi)力差異沒有想象中大。其原因可能是，罕遇水準(zhǔn)下較多構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降。經(jīng)過逐一桿件復(fù)核，在罕遇水準(zhǔn)下發(fā)生塑性行為的構(gòu)件數(shù)量較少。在樓板損傷不大的情況下，各桿件剪切保持彈性，少數(shù)腹桿正截面進(jìn)入塑性狀態(tài)。

表6 內(nèi)力及應(yīng)力對(duì)比

6 結(jié)論

（1）連體結(jié)構(gòu)連接方式的選用需綜合考慮設(shè)防烈度、連接位置、連接體的空間尺度和塔樓動(dòng)力特性。

（2）連體結(jié)構(gòu)需充分選取振型數(shù)。塔樓間建立強(qiáng)連接后單塔扭轉(zhuǎn)振型受到抑制，單塔的平動(dòng)相位差形成了連體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

（3）剛性連接的連體結(jié)構(gòu)在順連接體方向受力類似門式剛架，兩棟塔樓間建立較強(qiáng)的聯(lián)系作用；在垂直連接體方向，兩棟塔樓依靠樓板傳遞剪力，形成較弱的連接。

（4）連接體受力類似小跨高比連梁，承受巨大的彎矩和剪力。上弦桿、下弦桿、樓板及面內(nèi)斜撐共同承擔(dān)了彎矩，腹桿則承擔(dān)了剪力。

（5）連接體的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮施工次序、收縮徐變、基礎(chǔ)沉降差異的影響。構(gòu)件的設(shè)計(jì)尤其關(guān)注上、下弦桿和斜腹桿的正截面設(shè)計(jì)，而桿件的剪力水平常常較小。

（6）通過分析罕遇水準(zhǔn)下非線性時(shí)程結(jié)果，發(fā)現(xiàn)連體個(gè)別斜腹桿進(jìn)入塑性狀態(tài)，其余構(gòu)件均在彈性狀態(tài)，因此該結(jié)構(gòu)連體的整體設(shè)計(jì)思路清晰，可以達(dá)到構(gòu)件確定的性能目標(biāo)。