某復(fù)雜高層連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與思路

沈文杰

（安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司， 安徽 合肥 231000）

1 工程概況

北航合肥科學(xué)城創(chuàng)新研究院主樓（圖1） 位于新站高新區(qū)魏武路以南， 文忠路以西， 項(xiàng)目總用地面積7.7 萬m總建筑面積18 萬m， 地上建筑面積14 萬m， 地下建筑面積4 萬m。 建筑功能為研究中心、辦公、 公共配套、 公寓及會(huì)議中心。 地面以上建筑長度243m， 寬153m， 地上10 層， 地下1 層， 1 層層高5.4m， 2 層及以上層高4.2m， 建筑高度為43.2m。

圖1 建筑效果圖

項(xiàng)目風(fēng)荷載取值為0.35kN/m， 地面粗糙度為B類。 由于本項(xiàng)目為高校研究院不屬于中小學(xué)， 因此在設(shè)計(jì)前為明確設(shè)防目標(biāo)進(jìn)行設(shè)防要求分類審查， 并根據(jù)審查核定意見確定抗震設(shè)防烈度維持7 度第一組， 計(jì)算選用的基本加速度仍按照0.10g， 并提高至8度加強(qiáng)抗震措施， 場地類別為II類， 特征周期為0.35s。 結(jié)構(gòu)安全等級取為二類。 地下室局部設(shè)計(jì)為人防， 結(jié)構(gòu)嵌固于基礎(chǔ)頂。

2 結(jié)構(gòu)方案布置

本工程地上部分通過若干個(gè)抗震縫分為東、 南、西、 北四個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元。 根據(jù)建筑立面要求， 各個(gè)獨(dú)立單元在立面上需在所對應(yīng)方向開大洞口， 其中北樓立面洞口寬度為54m， 高度為28.8m， 南樓立面洞口寬度為54m， 高度為20.4m， 東、 西樓立面洞口寬度為26.1m， 高度為12m。 為實(shí)現(xiàn)建筑效果， 除洞口位置外其他部分均采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)， 在洞口上方設(shè)置連體桁架， 其中北樓桁架高度范圍為八層至屋面， 南樓桁架高度范圍為六層至屋面，東、 西樓桁架高度范圍為四層至頂層。 混凝土結(jié)構(gòu)柱主要截面為900mm×900mm、 800mm×800mm， 剪力墻厚度為200 ～300mm， 樓板厚度主要為120mm。 南、北樓連體桁架結(jié)構(gòu)跨度54m， 與兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)相連處寬度為18m， 設(shè)置了3 榀桁架， 桁架間跨度分別為8.1m和9.9m。 連體桁架與混凝土結(jié)構(gòu)采用剛性連接， 與桁架相連的的柱子內(nèi)插型鋼， 按型鋼混凝土柱設(shè)置， 并且連體鋼梁延伸至相鄰一跨的框架梁內(nèi)。 桁架弦桿和腹桿均采用H型鋼， 桁架區(qū)域樓板采用鋼筋桁架樓承板， 樓板厚度取150mm以提高桁架自身剛度。 東、 西樓各設(shè)置了3 個(gè)連體桁架， 跨度為26.1m，桁架寬度為9m， 與兩側(cè)的混凝土結(jié)構(gòu)為錯(cuò)層連接，連體桁架一側(cè)設(shè)置在四層至六層、 十層至屋面， 另一側(cè)設(shè)置在四層至八層。 由于該處桁架自身剛度較小，無法協(xié)調(diào)兩側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)變形， 連體桁架采用設(shè)置滑動(dòng)支座的連接方式聯(lián)結(jié)兩側(cè)混凝土主體結(jié)構(gòu)， 具體布置見結(jié)構(gòu)平面布置圖（圖2）。

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置圖

3 結(jié)構(gòu)超限情況

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》， 本工程具體不規(guī)則情況如下。

1） 南、 北樓： a.扭轉(zhuǎn)不規(guī)則， 由于結(jié)構(gòu)單元長度較大， 達(dá)到243m， 盡管在兩端設(shè)置了剪力墻對位移進(jìn)行約束， 考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比仍達(dá)到1.33， 大于1.2； b.剛度突變： 八層及以上由于連體桁架的存在， 剛度較下部樓層增大較多， 八層與相鄰層剛度比為0.62， 剛度變化大于70%； c.豎向構(gòu)件不連續(xù)： 存在連體結(jié)構(gòu)； d.承載力突變： 八層與相鄰層受剪承載力比為0.7， 變化大于80%； e.扭轉(zhuǎn)剛度弱： 作為連體復(fù)雜高層建筑， 扭轉(zhuǎn)周期比為0.88， 大于0.85。

2） 東、 西樓： a.扭轉(zhuǎn)不規(guī)則， 混凝土結(jié)構(gòu)部分體型為U型， 考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比仍達(dá)到1.3，大于1.2； b.凹凸不規(guī)則： 平面凹凸尺寸約為相應(yīng)邊長的60%， 大于30%； c.樓板不連續(xù)： 二層均布存在大洞口， 有效寬度大于50%； c.豎向構(gòu)件不連續(xù)：存在連體結(jié)構(gòu)； d.尺寸突變： 九層存在立面縮進(jìn)， 尺寸大于25%。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1 反應(yīng)譜分析

本工程采用SATWE軟件作為主算程序， 用YJK作為輔算程序。 以北樓為例， 在兩個(gè)軟件中的不同計(jì)算結(jié)果見表1 ～表3。

表1 SATWE與YJK計(jì)算結(jié)構(gòu)周期表

表2 SATWE與YJK結(jié)構(gòu)位移信息

表3 SATWE與YJK結(jié)構(gòu)剪重比信息

綜合兩個(gè)軟件計(jì)算的前3 個(gè)周期可以看出， 結(jié)構(gòu)第1 ～3 振型均較為簡單， 基本是平動(dòng)或扭轉(zhuǎn)為主。扭轉(zhuǎn)周期Tt與第一周期T1 之比為0.88， 兩個(gè)軟件計(jì)算周期誤差在2.8%左右。 根據(jù)《高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》， 樓層層間最大位移與層高之比限值為1/800。 多遇地震作用下樓層最大位移角1/1733， 為Y向地震荷載作用下， 滿足規(guī)范要求。 兩種軟件計(jì)算的最大層間位移實(shí)際發(fā)生在相近的樓層處。本結(jié)構(gòu)X向基本周期為0.9846s， 為1.6%； Y向基本周期為1.2171s， 取限值為1.6%， 地震作用下樓層剪重比及調(diào)整系數(shù)如表3 所示， X、 Y向底層剪重比大于規(guī)范要求， 兩個(gè)軟件計(jì)算結(jié)果相近。

4.2 彈性時(shí)程分析

本項(xiàng)目采用YJK進(jìn)行小震下的彈性時(shí)程分析， 作為反應(yīng)譜法計(jì)算的校核， 保證結(jié)構(gòu)安全可靠。 地震波采用YJK數(shù)據(jù)庫提供的5 組天然波及2 組人工波。 圖3 給出了7 組時(shí)程波的平均影響系數(shù)的曲線走勢和反應(yīng)譜法所用影響系數(shù)曲線走勢， 由對比可見滿足規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)主振型的周期點(diǎn)上的誤差值在20%以內(nèi)。

圖3 規(guī)范譜與地震波平均譜對比圖

表4 給出了兩種計(jì)算方法下的底部剪力值結(jié)果。結(jié)果表明： 所選取的時(shí)程曲線下結(jié)構(gòu)底部剪力和平均值均滿足規(guī)范要求。

表4 時(shí)程分析與CQC基底剪力比較

4.3 動(dòng)力彈塑性分析

項(xiàng)目采用YJK-EP進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析計(jì)算， 參考前述的小震彈性時(shí)程分析結(jié)果，選用1 條人工波， 2 條地震波， 對結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙向的地震輸入， 分別進(jìn)行x、 y方向的分析。 其中北樓時(shí)程分析結(jié)果如下。

罕遇地震分析后， 重要抗震構(gòu)件及豎向構(gòu)件沒有發(fā)生相當(dāng)嚴(yán)重的破壞， 結(jié)構(gòu)豎立不倒， 相當(dāng)數(shù)量的連梁在地震力作用下進(jìn)入屈服耗能狀態(tài)， 有一定數(shù)量的框架梁參與塑性耗能； 地震輸入結(jié)束時(shí)， 底部加強(qiáng)區(qū)以上局部墻體中等或輕微損傷， 底部加強(qiáng)區(qū)局部墻體部分中等損傷， 未出現(xiàn)單個(gè)剪力墻全截面均進(jìn)入屈服狀態(tài)的情況， 滿足關(guān)鍵構(gòu)件大震抗剪不屈服的要求；整體的結(jié)構(gòu)樓層位移角可以滿足抗震目標(biāo)要求， 總體而言， 結(jié)構(gòu)在罕遇地震輸入下具有較高的承載力和較好的延性， 能滿足“大震不倒” 的要求。

同時(shí)分析結(jié)果顯示， 本樓底層剪力墻大震作用下應(yīng)力大， 采取加強(qiáng)處理措施， 提高重要部位抗震等級， 增加配筋。 連體連接部位受力復(fù)雜， 采取提高連接部位墻柱抗震等級， 設(shè)置型鋼柱等加強(qiáng)措施。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 連體加強(qiáng)措施

根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析， 設(shè)計(jì)時(shí)對南、 北樓連體結(jié)構(gòu)采取了針對性加強(qiáng)設(shè)計(jì)措施， 具體如下： 1） 連體部分樓板厚度取150 mm， 鋼筋雙層雙向拉通， 直徑不小于10mm， 間距不小于100mm； 2） 連體桁架所在樓層以及上下各延伸一層與連體桁架相連的柱按型鋼混凝土柱采用。 連體桁架的鋼梁向兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)內(nèi)伸入一跨； 3） 與連體桁架相連的剪力墻在連體桁架所在樓層以及上下各延伸一層均設(shè)置約束邊緣構(gòu)件， 且相連的剪力墻抗震等級均提高一級； 4） 連體桁架首層底部和頂層頂部在平面內(nèi)設(shè)置交叉鋼支撐， 目的為增大連體桁架平面內(nèi)剛度。

5.2 支座設(shè)計(jì)

東、 西樓采用滑動(dòng)支座的方式與主體形成連接?；瑒?dòng)支座設(shè)置在兩側(cè)結(jié)構(gòu)伸出的牛腿上。 考慮到本項(xiàng)目連廊自身層數(shù)較多， 自重較大， 支座的豎向承載能力為支座選取的主要考慮因素。 經(jīng)過對一些支座產(chǎn)品的對比， 在相同豎向承載力下， 球型鋼支座的截面較其他類型支座更小， 豎向承載能力更好。 故連廊與主樓采用球型鋼支座連接。 支座設(shè)計(jì)時(shí)， 采用以鋼桁架底層一側(cè)為鉸接支座， 另一側(cè)為全滑動(dòng)支座的形式；其余樓層， 均為全滑動(dòng)支座。 桁架每層都做連接節(jié)點(diǎn)， 將豎向力均勻施加在各樓層， 減小支座的豎向承載力需求。

除了豎向承載力以外， 支座的另一重要參數(shù)即為支座的行程。 作為采用支座設(shè)計(jì)的弱連接連體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)希望能夠在水平作用下， 連接體兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)相互脫離， 相互之間能夠產(chǎn)生獨(dú)立的位移， 互不影響， 降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。 因此設(shè)置滿足變形要求的支座行程， 就是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的手段。 計(jì)算支座行程時(shí)， 結(jié)合理論公式， 通過小震計(jì)算的位移結(jié)果， 結(jié)合大小震作用的關(guān)系比值， 并適當(dāng)考慮剛度退化影響系數(shù)， 初算出一個(gè)預(yù)估值， 建議采用罕遇地震下動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果， 得出更為精確的單體變形值。 本項(xiàng)目最終取支座行程即變形縫寬度為300mm， 并以此作為支座及牛腿尺寸設(shè)計(jì)的依據(jù)。

對于弱連接連體結(jié)構(gòu)， 支座作為鋼桁架和主體結(jié)構(gòu)的連接， 支座自身的安全性等級應(yīng)高于連接體。 支座不發(fā)生破壞也是連體結(jié)構(gòu)不發(fā)生安全隱患的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)時(shí)滑動(dòng)支座僅承擔(dān)豎向荷載， 并設(shè)置了足夠的行程作為桁架自由滑移量， 基本確保了滑動(dòng)支座不影響連接體的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。 但是為保證連體結(jié)構(gòu)在極端情況下的的安全， 例如主樓的位移變形超過抗震縫寬， 球型滑動(dòng)支座的位移值超過限值。 對于此情況下設(shè)計(jì)時(shí)將連體結(jié)構(gòu)和兩側(cè)主樓整體建模計(jì)算， 連體結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間連接均簡化按照鉸接考慮， 并按照大震不屈服復(fù)核連體部分鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力和主樓支座處豎向抗震構(gòu)件， 以保證連體結(jié)構(gòu)支座的處抗震性能優(yōu)于主樓其他區(qū)域， 避免連體結(jié)構(gòu)成為抗震薄弱部位。 因此在設(shè)計(jì)時(shí)， 支撐牛腿、 支座的框架柱內(nèi)均采用型鋼混凝土以提高安全性能。

6 結(jié)語

北航合肥科學(xué)城創(chuàng)新研究院主樓為復(fù)雜超限高層， 存在大跨連體桁架等復(fù)雜情況， 且連體形式既有與主體結(jié)構(gòu)剛接的強(qiáng)連接連體， 也有與主體結(jié)構(gòu)采用支座形式連接的弱連接連體。 設(shè)計(jì)中根據(jù)計(jì)算分析對相應(yīng)部位進(jìn)行采取加強(qiáng)措施， 針對支座設(shè)計(jì)也考慮結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)， 總體而言， 本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理， 可保證本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的安全性。