某不對稱雙塔高位連體超限結(jié)構(gòu)設(shè)計

楊廣YANG Guang；景陶JING Tao；唐振興TANG Zhen-xing

（①中國輕工業(yè)長沙工程有限公司，長沙 410114；②宏林建設(shè)工程集團有限公司，長沙 410000）

1 工程概況

本項目位于湖南省長沙市高新區(qū)，由多個結(jié)構(gòu)單體組成，本文主要介紹1#棟研發(fā)樓（含A 座、B 座、裙樓及連接體組成的結(jié)構(gòu)）。1#棟研發(fā)樓地下2 層，A 座地上33 層，主要屋面高度為139.7m，B 座地上19 層，主要屋面高度為81.4m。裙樓與A 座、B 座連為一體，主要屋面高度為23.1m。連接體結(jié)構(gòu)在18～20 層，高度范圍為73.2～81.4m。研發(fā)樓建筑效果圖見圖1，結(jié)構(gòu)平面圖見圖2。

圖1 建筑效果圖

圖2 塔樓及連接體結(jié)構(gòu)平面圖

本工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 年?？拐鹪O(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為6 度（0.05g），建筑場地類別為Ⅱ類，地震設(shè)計分組為第一組，場地特征周期為0.35s。基本風(fēng)壓為0.35kN/m2（50 年重現(xiàn)期），地面粗糙類別為B 類。[1～2]

2 結(jié)構(gòu)體系與平面布置

2.1 塔樓結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)建筑物的總高度、抗震設(shè)防烈度、建筑的用途等情況，為了使樓層空間分隔靈活，采光、通風(fēng)良好，A 座、B座建筑設(shè)計電梯井、樓梯間盡量集中在建筑物中部布置，形成剪力墻核心筒；柱子則沿建筑物周邊布置，形成外框框架。剪力墻及框架雙向布置，形成二道抗震防線，為結(jié)構(gòu)提供所需的豎向荷載承載能力和水平抗側(cè)剛度。一般樓面和屋面采用普通梁板結(jié)構(gòu)體系。

2.2 連接體結(jié)構(gòu)體系

由于建筑功能需要，A 座及B 座的角部在73.2～81.4m標高設(shè)置了高位連接體結(jié)構(gòu)，連接體為弧形，最大跨度為41m，為減輕結(jié)構(gòu)自重、減小兩側(cè)塔樓的相對位移[3]，并考慮到弱連接支座的造價和使用過程中的維護、老化等問題[4]，連接體采用4 榀8.2m 高的鋼桁架與兩棟塔樓剛性連接，桁架的上下翼緣桿件伸入塔樓內(nèi)一跨，并可靠錨入核心筒剪力墻內(nèi)，4 榀桁架在頂部及底部均設(shè)置了水平支撐系統(tǒng)。鋼桁架的主要截面尺寸為：翼緣桿H400×350×20×24，腹桿350×20。與連接體相連的塔樓相關(guān)范圍框架柱采用型鋼混凝土柱，塔樓與連接體相連的梁采用型鋼混凝土梁。連體結(jié)構(gòu)樓面和屋面采用鋼筋桁架樓承板。

2.3 平面結(jié)構(gòu)布置

A、B 座塔樓與連接體部分在角部斜交，塔樓平面布置均為矩形。其中A 座外框柱柱距為9.0～10.0m，核心筒外墻與外框柱間的中距為11.0～12.0m，內(nèi)框架梁典型截面為500*700，周邊框架梁截面為500*900；B 座外框柱柱距為8.0～11.0m，核心筒外墻與外框柱間的中距為10.0～16.0m，內(nèi)框架梁典型截面為300*800，周邊框架梁截面為400*900。塔樓與連接體部分相連的梁均為型鋼混凝土梁。

本工程裙樓與A、B 座塔樓連為一體，平面尺寸為101m*90m?？紤]結(jié)構(gòu)同上部高位連接體的協(xié)同工作，為避免設(shè)縫削弱結(jié)構(gòu)的整體性，結(jié)構(gòu)不設(shè)置伸縮縫。

2.4 豎向構(gòu)件

塔樓核心筒平面均為矩形，A 座核心筒X 向尺寸為26.2m，Y 向尺寸為13.6m，核心筒外墻厚750～600mm；B 座核心筒X 向尺寸為19.7m，Y 向尺寸為10.8m，核心筒外墻厚400～350mm?？蚣苤捎娩摻罨炷梁托弯摶炷林珹 座塔樓主要截面為1500×1500，B 座塔樓主要截面為1000×1500mm，其中與連接體部分相連的柱在連接體樓層及上、下兩層均采用型鋼混凝土柱。

2.5 計算嵌固層的確定

本工程地下室頂板采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，無大開洞，樓板厚為180mm，當(dāng)不考慮地下室側(cè)約束時，經(jīng)計算得地下一層與首層側(cè)向剛度比大于2，所以本工程選地下室頂板作為嵌固端。

2.6 抗震設(shè)防性能目標

按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）（簡稱高規(guī)）的要求，本工程擬達C 級結(jié)構(gòu)抗震性能目標[5]。

2.7 超限情況判別

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》[6]，本工程結(jié)構(gòu)類型符合現(xiàn)行規(guī)范的適用范圍，高度未超過“超限審查要點表一”規(guī)定的限值；存在“超限審查要點表二”所列不規(guī)則項4 項不規(guī)則，即扭轉(zhuǎn)不規(guī)則（扭轉(zhuǎn)位移比最大值為1.42）、樓板不連續(xù)（裙樓三層、五層樓板有效寬度小于50%）、尺寸突變（裙樓頂收進，雙塔）、局部不規(guī)則（裙樓穿層柱、斜柱）；存在“超限審查要點表三”所列不規(guī)則項的“復(fù)雜連接”（在塔樓之間的18-20 層有連接體結(jié)構(gòu)）1 項不規(guī)則，屬于超限高層建筑。

3 整體計算分析

3.1 彈性計算分析

本工程選用YJK 和PKPM 軟件進行彈性分析，計算時考慮偶然偏心地震作用、雙向地震作用、扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)、施工模擬[5]。結(jié)構(gòu)建模定義多塔時，將結(jié)構(gòu)設(shè)為如圖3 所示的兩個塔，施工模擬加載時，按先施工塔樓至屋頂再施工連接體結(jié)構(gòu)的順序[7]。在設(shè)計中，考慮到B 座東西向有兩跨柱網(wǎng)，連接體其中一榀桁架弦桿伸入核心筒條件削弱，在此榀桁架與B 座連接位置增設(shè)剪力墻，同時考慮B 座抗扭剛度的協(xié)調(diào)，在對稱位置亦增設(shè)剪力墻。主要計算結(jié)果見表1。

表1 整體模型主要計算結(jié)果列表

圖3 模型分塔示意圖

3.2 彈性時程分析

根據(jù)高規(guī)第5.1.13 條的規(guī)定，需采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算[5]。采用YJK 進行彈性動力時程分析時，輸入地震波為多遇地震的5 組實際地震記錄和2 組人工合成波。分析時按6 度地震作用，Ⅱ類場地，特征周期0.35s，最大加速度峰值取18cm/s2。

經(jīng)驗算，時程分析結(jié)果符合平均底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80%，每條地震波底部剪力不小于反應(yīng)譜法結(jié)果的65%的要求[5]；并且每條地震波的計算結(jié)果不大于135%，平均值不大于120%。對于樓層剪力，時程分析的平均值不大于規(guī)范反應(yīng)譜法，本工程采用振型分解法結(jié)果進行設(shè)計。

3.3 中震驗算

按照抗震性能目標，并考慮高規(guī)中“不同抗震性能水準的結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計要求”的相關(guān)公式，采用YJK 軟件對中震（設(shè)防烈度地震）作用下，所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件（除普通樓板、次梁以外）進行承載力驗算。采用規(guī)范反應(yīng)譜計算中震作用時，水平最大地震影響系數(shù)αmax＝0.12，阻尼比ξ=0.05。不考慮風(fēng)荷載和與抗震等級有關(guān)的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)。中震彈性計算時，材料強度取設(shè)計值，保留荷載分項系數(shù)和承載力抗震調(diào)整系數(shù)；中震不屈服計算時，材料強度取標準值，不考慮荷載分項系數(shù)和承載力抗震調(diào)整系數(shù)[5]。

經(jīng)結(jié)構(gòu)計算，中震驗算的結(jié)構(gòu)基底剪力約為小震驗算的2.8 倍。經(jīng)驗算，底部加強區(qū)剪力墻（-1～3 層）、底部加強區(qū)框架柱、躍層柱、與連接體結(jié)構(gòu)相連的豎向構(gòu)件、非底部加強區(qū)剪力墻、框架柱均未出現(xiàn)超筋的情況，連接體結(jié)構(gòu)（18～20 層）最大應(yīng)力比為0.54，耗能構(gòu)件（框架梁和連梁）出現(xiàn)個別構(gòu)件抗彎超筋的情況。設(shè)計時，配筋按小震和中震驗算結(jié)果的包絡(luò)值取用，就能夠符合預(yù)設(shè)的抗震性能目標要求。

3.4 大震不屈服驗算

按照抗震性能目標，本結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)符合大震抗剪不屈服的要求。采用規(guī)范反應(yīng)譜計算罕遇地震作用時，水平最大地震影響系數(shù)αmax＝0.28，阻尼比ξ= 0.07。不考慮風(fēng)荷載和與抗震等級有關(guān)的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)。材料強度取標準值，不考慮荷載分項系數(shù)和承載力抗震調(diào)整系數(shù)[5]。

計算結(jié)果顯示，大震不屈服驗算下的結(jié)構(gòu)基底剪力約為小震驗算的6.8 倍。底部加強區(qū)剪力墻水平分布筋、底部加強區(qū)框架柱箍筋、躍層柱箍筋、與連接體結(jié)構(gòu)相連的豎向構(gòu)件箍筋未有超筋情況；連接體結(jié)構(gòu)（鋼結(jié)構(gòu)）最大應(yīng)力不大于1.0。設(shè)計時，配筋取小震和大震不屈服驗算結(jié)果的包絡(luò)值，可滿足預(yù)設(shè)的抗震性能目標要求。

本工程取大震反應(yīng)譜計算構(gòu)件剪力，進行豎向構(gòu)件抗剪截面驗算。經(jīng)計算，結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件抗剪截面驗算均符合規(guī)范要求。

3.5 大震彈塑性時程分析

本工程采用SAUSAGE 軟件進行大震作用下彈塑性時程分析，地震輸入時選擇一組人工合成波和二組實際地震記錄，三向同時輸入，地震波計算持時取20～30s。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）的建議，罕遇地震波三個分量峰值加速度比值為：水平主方向∶水平次方向∶豎向=1.0∶0.85∶0.65，計算分別從0°和90°以及61°和151°四個方向進行地震波輸入。大震作用下PGA 水平向取為125gal，豎向取為81.3gal。主方向下各組地震波作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角及頂點位移如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)最大層間位移角及頂點位移

上述分析結(jié)果表明，A 座三條地震波主方向最大層間位移角為1/173，B 座三條地震波主方向最大層間位移角為1/344，均滿足規(guī)范限值1/100 的要求。

在大震作用下，剪力墻連梁出現(xiàn)輕微至重度損傷，從而保護了承重剪力墻。剪力墻均未出現(xiàn)損傷，鋼筋未出現(xiàn)塑性應(yīng)變。塔樓框架柱未出現(xiàn)損傷，鋼筋未出現(xiàn)塑性應(yīng)變；裙樓個別框架柱出現(xiàn)輕微損傷，鋼筋出現(xiàn)輕微塑性應(yīng)變；裙樓在三層及五層因樓面缺失形成的躍層柱，均未發(fā)生明顯損傷，鋼筋均未出現(xiàn)塑性應(yīng)變；計算結(jié)果表明，在大震作用下框架的承載力還有一定的富余。少量框架梁出現(xiàn)輕微至輕度損傷，鋼筋未出現(xiàn)塑性應(yīng)變，因框架梁能考慮塑性變形內(nèi)力重分布，所以整體結(jié)構(gòu)仍滿足抗震承載力的要求。結(jié)構(gòu)裙樓大開洞周邊樓板及相鄰層樓板未出現(xiàn)受壓損傷，僅核心筒周邊樓板出現(xiàn)輕微受壓損傷。本結(jié)構(gòu)第18～20 層連接體部分兩端塔樓混凝土梁、柱構(gòu)件未出現(xiàn)受壓損傷，連接體本身鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件未出現(xiàn)塑性應(yīng)變；第18 層及20 層連接體結(jié)構(gòu)混凝土樓板極個別位置出現(xiàn)受壓損傷，位置主要在連接體結(jié)構(gòu)與塔樓的連接部位。綜上所述，結(jié)構(gòu)滿足抗震性能C 的要求[5]。

4 專項分析

4.1 連接體樓板截面抗剪驗算

考慮兩個塔樓相對變形對連接體位置樓板產(chǎn)生面內(nèi)剪力，按照高規(guī)對連接體位置樓板進行抗剪承載力驗算，內(nèi)力取值由剛性樓板計算的兩個塔樓應(yīng)力值相加所得。選取剪力較大的樓板區(qū)域進行抗剪承載力驗算，經(jīng)驗算，樓板截面抗剪承載力均滿足要求。

4.2 設(shè)防烈度地震作用下樓板應(yīng)力分析

本工程存在裙樓樓板不連續(xù)和高位連接體的情況，為了保證地震作用下樓板能夠可靠地傳遞水平力，運用YJK軟件進行了中震作用下的彈性樓板應(yīng)力分析。

計算結(jié)果表明，中震作用下絕大多數(shù)樓板應(yīng)力小于混凝土抗拉強度設(shè)計值，板與豎向構(gòu)件交接處（特別是核心筒筒角、墻端部處）的地方應(yīng)力較大，在構(gòu)造上通過加設(shè)適量放射筋或角筋的方法，能夠保證樓板符合設(shè)計規(guī)范的規(guī)定。在連接體結(jié)構(gòu)處，20 層連接體樓板拉應(yīng)力較小，最大拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強度設(shè)計值；18 層連接體樓板出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，大于混凝土抗拉強度設(shè)計值，其板頂板底可分別增加0.2%配筋率抵抗拉力。

4.3 連接體關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)力分析

連接體由四榀鋼桁架組成，其中以最短的桁架端部節(jié)點內(nèi)力最大，基于以上考慮取該榀桁架端部節(jié)點作為分析對象，為其他相同或相似節(jié)點設(shè)計提供參考。單取節(jié)點區(qū)域脫離體進行計算，不能準確的模擬邊界條件，計算結(jié)果失真。故將節(jié)點區(qū)采用殼單元建立有限元模型，并將該節(jié)點所有殼單元通過程序?qū)虢Y(jié)構(gòu)整體模型中，進行整體的有限元分析。模型中將與該節(jié)點相連的所有桿單元通過剛體束縛與該節(jié)的橫截面處的所有節(jié)點約束在一起，協(xié)調(diào)殼單元和桿單元的內(nèi)力和變形，可以較為準確的計算出該節(jié)點區(qū)域在各荷載工況下的應(yīng)力。鋼桁架立面圖見圖4。

圖4 鋼桁架立面圖

從計算結(jié)果得出，節(jié)點區(qū)最大應(yīng)力240MPa，均處于彈性階段，節(jié)點設(shè)計合理，具有較高安全儲備。

主體結(jié)構(gòu)與連接體相連的型鋼混凝土節(jié)點受力復(fù)雜，對角部最復(fù)雜的節(jié)點進行有限元分析。節(jié)點加載以大震作用下各桿端的位移作為節(jié)點分析的荷載，分析結(jié)果見圖5。

圖5 節(jié)點應(yīng)力分布（N/m2）

從分析結(jié)果得出，在大震作用下型鋼混凝土節(jié)點區(qū)域混凝土的應(yīng)力水平較低，尚處于彈性階段，型鋼部分最大等效應(yīng)力為307MPa，也處于彈性階段。

5 抗震加強措施

①連接體及與連接體相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在連接體高度范圍（18 至20 層）及其上、下層，抗震等級提高一級采用，按一級抗震等級要求。與連接體相連的框架柱在連接體高度范圍及其上、下層，箍筋全柱段加密配置。與連接體相連的剪力墻在連接體高度范圍及其上、下層設(shè)置約束邊緣構(gòu)件[5]。連接體桁架上、中、下弦桿與塔樓內(nèi)鋼梁及型鋼混凝土柱的連接采用連續(xù)剛性連接，即連接體伸入主體結(jié)構(gòu)一跨并延伸至塔樓內(nèi)筒，并與內(nèi)筒可靠連接。連接體樓板厚度取150mm，采用雙層雙向配筋，且每層每方向的配筋率大于0.4%。連接體及其上、下一層塔樓樓板（17 層至21 層）厚度取180mm，采用雙層雙向配筋，并按中震樓板應(yīng)力計算結(jié)果配筋，且每層每方向的配筋率大于0.4%。

②塔樓在裙樓頂存在豎向體型突變且裙樓部分樓層存在大開洞，整體加厚裙樓各層樓板至150mm，按中震計算結(jié)果且每層每方向的配筋率不小于0.25%，并增大開洞邊邊梁截面，提高配筋率。塔樓中與裙樓相連的外圍框架柱、剪力墻，從嵌固端至裙樓屋面上一層進行加強：柱縱向鋼筋的最小配筋率提高至1.1%（其中角柱提高至1.3%），柱箍筋在裙樓屋面上、下層的高度范圍內(nèi)全柱段加密配置；剪力墻按規(guī)范規(guī)定設(shè)置約束邊緣構(gòu)件[5]。

6 結(jié)論

本工程屬于高位連接體超限結(jié)構(gòu)，設(shè)計時我們利用概念設(shè)計方法，對關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)定了抗震性能化目標。在抗震設(shè)計中，運用多種計算軟件進行了分析，使結(jié)構(gòu)在小震作用下完全處于彈性工作狀態(tài)，并補充了關(guān)鍵構(gòu)件在中震以及大震作用下的驗算。并基于概念設(shè)計方法以及計算結(jié)果，適當(dāng)加強了關(guān)鍵和重要構(gòu)件，來保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的具有一定的延性。

所以能夠認為本結(jié)構(gòu)是基本滿足“性能目標C”的抗震設(shè)防目標，結(jié)構(gòu)是安全可行的，可為類似工程提供參考。

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計于2017 年10 月通過湖南省超限高層建筑專項審查，且于2020 年12 月正式竣工。

從分析結(jié)果得出，在大震作用下型鋼混凝土節(jié)點區(qū)域混凝土的應(yīng)力水平較低，尚處于彈性階段，型鋼部分最大等效應(yīng)力為307MPa，也處于彈性階段。