某復(fù)雜超限高層建筑的大跨連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

宋躍飛 淮北建筑勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司

1 前言

本文對(duì)能夠復(fù)雜超限高層工程建筑的應(yīng)用需求、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行全面分析，對(duì)比所選取的不同連體形式。分析所利用的軟件為多種有限元軟件，探究樓板應(yīng)力、連體結(jié)構(gòu)的承載力等內(nèi)容。

2 工程概況

此次工程是復(fù)雜超限高層結(jié)構(gòu)，建筑的具體表現(xiàn)為高度：36m，地上與地下分別為8層、1層，屋頂有格柵。地上每層高度均在4.5m。第6 層到屋面層均屬于大跨度連體結(jié)構(gòu)，連體跨度：63m，寬度：27m，建筑高度13.5m。連體部位建筑主要是應(yīng)用于辦公與會(huì)議。

此建筑結(jié)構(gòu)為二級(jí)安全等級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.0。設(shè)計(jì)應(yīng)用為50年?？拐鹪O(shè)防烈度：6度，基本地震加速度設(shè)計(jì)為：0.05g，抗震設(shè)防類別是標(biāo)準(zhǔn)防類中。

3 單塔樓與整體結(jié)構(gòu)計(jì)算對(duì)比

連體結(jié)構(gòu)屬于鋼結(jié)構(gòu)桁架，雙側(cè)塔樓為剪刀墻結(jié)構(gòu)體系，其結(jié)構(gòu)平面柱網(wǎng)的尺寸全部為9m。根據(jù)我國(guó)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的相關(guān)要求與標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)連體結(jié)構(gòu)各自獨(dú)立部分，需要具備同樣或相似的剛度、體型等。但是，由于本次工程兩側(cè)塔樓體積、剛度所存在的差異較大，地震作用方向的夾角約為45°，在地震、風(fēng)荷載作用下，若連接方式無(wú)法對(duì)兩側(cè)塔樓的整體變形與受力情況進(jìn)行調(diào)整，因此，本工程需要將雙側(cè)塔樓與連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛性連接，并將此深入塔樓一跨，為確保能夠更好地傳遞水平力，此跨所應(yīng)用型混凝土結(jié)構(gòu)。

針對(duì)兩側(cè)塔樓體型差異，需先應(yīng)用YJK拆分計(jì)算連體中的各個(gè)獨(dú)立部分，獨(dú)立部分的具體情況見(jiàn)圖1、表1。

表1 獨(dú)立部分的周期對(duì)比

圖1 側(cè)向剛度對(duì)比

在計(jì)算單塔樓、整體結(jié)構(gòu)后能夠發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)表2），兩側(cè)塔樓會(huì)因?yàn)橹芷凇①|(zhì)量存在差異，同時(shí)側(cè)向剛度也存在不同。獨(dú)立部分2的平面呈現(xiàn)為斜向布置，和獨(dú)立部分1存在較大夾角，從而使兩側(cè)塔樓地震作用方向存在夾角情況。當(dāng)應(yīng)用滑動(dòng)支座會(huì)存在較多的問(wèn)題，由于連體部位為辦公、會(huì)議，因此需要較高的安全性與舒適度?；诖?，可利用兩側(cè)塔樓結(jié)構(gòu)與連體剛性連接的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行。在具體施工過(guò)程中，當(dāng)利用分層組裝時(shí)，連體最底層結(jié)構(gòu)需要較強(qiáng)的承載能力，不利于施工，可應(yīng)用整體吊裝的施工方式進(jìn)行。

表2 單塔樓與整體結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 連體方案

分析此次工程建筑所應(yīng)用的實(shí)際要求、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面，明確連體方案需要考慮桁架榀數(shù)，對(duì)兩種連體方案進(jìn)行深入設(shè)置，分別為對(duì)最外側(cè)兩榀桁架設(shè)置和連體縱向軸線對(duì)四榀桁設(shè)置。通過(guò)對(duì)比，第一種對(duì)建筑功能影響較低，且橫向范圍內(nèi)無(wú)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，但是次梁跨度、構(gòu)件截面較大，建筑層高度較低，次梁過(guò)高的情況下會(huì)嚴(yán)重影響建筑凈高，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺少安全性。而第二種結(jié)構(gòu)冗余度高，桁架截面及次梁截面相對(duì)較小，利于建筑凈高，但是，中間兩榀桁架會(huì)影響建筑功能。通過(guò)分析、對(duì)比綜合性后，選取第二種方案，構(gòu)建力學(xué)模型進(jìn)行對(duì)比后計(jì)算。

在方案一中，中間兩榀桁架是主要受力構(gòu)建，應(yīng)力比控制截面由中間兩榀桁架構(gòu)建的截面構(gòu)成。中間兩榀桁架支座周圍構(gòu)件內(nèi)力最大，弦桿端彎矩、斜腹桿周力分別為537kN·m、10944kN，應(yīng)力比最大值0.84。在方案二中，中間空腹桁架是主要受力構(gòu)件，支座處弦桿端彎矩1120kN·m，豎桿應(yīng)力比最大值1.0。表3中方案二的構(gòu)件截面尺寸相對(duì)較大。

表3 兩個(gè)方案的構(gòu)建截面對(duì)比（mm）

方案一：桁架邊跨撓度和中間跨撓度分別為38mm、48mm，桁架豎向剛度較大，中間跨撓度與邊跨差異不大；方案二：桁架邊跨撓度和中間跨撓度分別為40mm、74mm。對(duì)比方案一，此方案的中間是空腹桁架，所以整體豎向剛度小，邊跨與中跨的豎向剛度之間差距較大。綜合分析，由于方案二的構(gòu)件尺寸會(huì)對(duì)建筑凈高造成影響，整體剛度達(dá)不到相應(yīng)的要求與標(biāo)準(zhǔn)，因此，通過(guò)考慮選擇方案一作為本次連體方案，在方案一種，中間桁架在具體設(shè)置時(shí)是建筑走廊隔墻，能夠減少影響建筑具體功能。

4.2 連體結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.2.1 小震作用分析

連體與兩側(cè)塔樓的有效連接，需要確保連體桁架弦桿通長(zhǎng)貫通，可以直接深入兩側(cè)塔樓的結(jié)構(gòu)內(nèi)，并且水平力可以與豎向荷載保持一個(gè)平行可靠的傳遞狀態(tài)。小幅度震動(dòng)的作用下，連體結(jié)構(gòu)中間榀桁架的強(qiáng)度應(yīng)力比最大值為0.80，主要位于支座腹桿處。

4.2.2 大震作用下動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

此工程屬于復(fù)雜性的超限高層建筑，為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震目標(biāo)，需要選擇符合性能標(biāo)準(zhǔn)的抗震設(shè)計(jì)方法，基于綜合考慮的結(jié)果，設(shè)定本次工程結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的抗震性能都符合要求，均為C 級(jí)，考慮的內(nèi)容主要包括設(shè)防的類別、強(qiáng)度、場(chǎng)地條件、建造所需要的費(fèi)用等。不光大跨度的連體結(jié)構(gòu)桁架支座柱作為整個(gè)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵構(gòu)件，連體桁架也起著至關(guān)重要的作用，性能通常為中震度的彈性，大震不屈服。在對(duì)基于大震作用下的彈塑性時(shí)程分析前，需要先采用YJK完成對(duì)模型靜力和模態(tài)分析，隨后采用SAUSAGE 再次完成對(duì)施工過(guò)程中整體施工模擬和模態(tài)分析，分析完成后整合分析數(shù)據(jù)，采用校核模轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確程度，從YJK轉(zhuǎn)換到SAUSAGE。嚴(yán)格按照建筑場(chǎng)地具體類型和地震設(shè)計(jì)分組情況，選擇具有實(shí)際應(yīng)用效果的兩組地震數(shù)據(jù)，同時(shí)還要選擇采用人工模擬完成的加速度時(shí)程曲線，遇到非常罕見(jiàn)的地震時(shí)，峰值的加速度值就會(huì)發(fā)生變化，通常取125gal。

大震作用下，連體兩側(cè)塔樓很大一部分墻體都沒(méi)有受到任何程度的損傷，只有小部分與連梁相近的墻體出現(xiàn)了不同程度受壓損傷，具計(jì)算發(fā)現(xiàn)，受壓因子僅有0.1左右，對(duì)其他系統(tǒng)并未造成任何程度的影響。部分墻體有受拉損傷的現(xiàn)象，具計(jì)算損傷因子的上限值為0.4，墻體縱筋、水平筋都沒(méi)有出現(xiàn)任何塑性應(yīng)變的現(xiàn)象。連體兩側(cè)的柱子采用的柱子類型為型鋼混凝土柱，一旦此結(jié)構(gòu)受到大震，同樣不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的受壓損傷現(xiàn)象，即使在不特定的情況下出現(xiàn)了也只是極少數(shù)，不會(huì)造成不可彌補(bǔ)的影響。計(jì)算數(shù)值可知，大震作用下?lián)p傷因子僅為0.1左右。大部分屋面位置和少部分的柱子底部，都出現(xiàn)了不同程度的混凝土受拉損傷。柱中鋼骨和鋼筋都與桁架緊密相連，均為發(fā)生塑性應(yīng)變，沒(méi)有進(jìn)入屈服。大震程度下，整體樓板的受壓程度與損傷程度都會(huì)在此作用下逐漸變小，發(fā)生損傷部分的主要原因是與連體和塔樓連接的距離太近。由于樓板的鋼筋沒(méi)有直接出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，所以不會(huì)對(duì)剪力傳遞速度的快慢造成任何影響。連體結(jié)構(gòu)桁架鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)的各個(gè)構(gòu)件，一旦受到較大外力的影響，也不會(huì)產(chǎn)生塑性應(yīng)變。

4.3 樓板舒適度分析

通過(guò)利用0.5m 網(wǎng)格細(xì)分連體樓板，詳細(xì)計(jì)算樓板自振頻率。樓板第一階模豎向自振頻率為2.1315Hz，無(wú)法滿足我國(guó)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)與要求，因此需要對(duì)此進(jìn)行豎向振動(dòng)加速度峰值驗(yàn)算。在具體驗(yàn)算過(guò)程中，根據(jù)步速1m/s 施加時(shí)程步行荷載，在兩種不同工況的情況下，樓板的峰值加速度為0.0591m/s2、0.0675m/s2，都能夠符合相關(guān)規(guī)定與要求。當(dāng)前所設(shè)計(jì)的建筑能夠達(dá)到舒適度的標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 連體部位構(gòu)造措施

通過(guò)對(duì)大跨度連體結(jié)構(gòu)應(yīng)用構(gòu)造措施，以此提升整體結(jié)構(gòu)，具體包含以下幾種措施：（1）采用剛性連接對(duì)連體結(jié)構(gòu)、塔樓進(jìn)行連接，在主體結(jié)構(gòu)一跨中伸入連體結(jié)構(gòu)。（2）連體部位與兩側(cè)塔樓兩跨范圍內(nèi)樓板為150mm的厚度，利用雙層雙向鋼筋網(wǎng)，各個(gè)層的不同方向鋼筋網(wǎng)的配筋率應(yīng)當(dāng)超過(guò)0.30%。（3）應(yīng)當(dāng)加大連體部位邊梁截面。（4）針對(duì)連體高度的范圍和連體高度上、下層，提升連體和連體向量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性，增加其等級(jí)，對(duì)框架剪力墻抗震需要提升為二級(jí)等級(jí)。（5）與連體向量的框架柱需要應(yīng)用型鋼混凝土柱，對(duì)箍筋全段進(jìn)行加密，降低壓軸比限值為0.05。（6）在連體高度范圍和連體高度上、下層，對(duì)連體相連的剪力墻設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)復(fù)雜超限高層的連體設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算連體樓板應(yīng)力分析、單塔計(jì)算分析等內(nèi)容，在對(duì)薄弱部位進(jìn)行提升時(shí)，充分利用相應(yīng)的措施，使結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到抗震設(shè)防目的。