多塔復(fù)雜連接超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李紅曉 LI Hong-xiao

（西部建筑抗震勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710054）

0 引言

多塔連體超限高層建筑的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)中，存在一些不規(guī)則情況，比如樓板不連續(xù)、剛度突變，分布不均等，很容易影響建筑結(jié)構(gòu)安全。因此為保障建筑結(jié)構(gòu)安全，必須要進(jìn)行多塔樓復(fù)雜連接超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，結(jié)合實(shí)際超限情況，采取有效的應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)措施，從而更好地保證建筑結(jié)構(gòu)安全。

1 工程概況

現(xiàn)有某建筑工程項(xiàng)目，項(xiàng)目建設(shè)用地面積24862m2，總建筑面積139785m2，其中地上建筑面積99763m2，地下建筑面積40022m2，共有兩層地下室。在該工程項(xiàng)目中，共設(shè)計(jì)有兩座辦公樓，其中1座位于西南方向，屬于辦公主樓，層數(shù)為26層，總建筑高度為91.5m，建筑結(jié)構(gòu)形式為框架—核心簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)稱(chēng)“A塔”[1]。另一座是辦公樓位于西側(cè)，建筑層數(shù)為19層，總建筑高度為66.5m，建筑結(jié)構(gòu)形式與“A塔”相同，該塔樓可以簡(jiǎn)稱(chēng)“B塔”。同時(shí)在東北方向上，還設(shè)計(jì)有辦公裙房。在5至7層與17至19層屬于“A塔”與“B塔”的連接層，采用了鋼連廊連接，其中連廊與A、B塔連接方式如圖1所示。裙樓與塔樓均有著較高的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，具體為丙類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為7度。該建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征值周期為0.35s。建筑項(xiàng)目的安全等級(jí)為II級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，基本風(fēng)壓為50年一遇，具體風(fēng)壓數(shù)值為0.40kN/m2。

圖1 連廊與A、B塔連接示意圖

2 多塔復(fù)雜連接超限判定

在本工程項(xiàng)目中，針對(duì)多塔復(fù)雜連接超限判定，需要參考多種規(guī)范，比較典型的有“高規(guī)”，即《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3——2010）[2]。除此之外，還應(yīng)考慮建筑抗震方面的審查規(guī)范，在這一過(guò)程中，需要參考最新的《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)[2015]67號(hào)）提出的要求。在上述規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，需要分析其中的不規(guī)則情況。比如在本工程項(xiàng)目中，“A塔”存在兩處不規(guī)則情況，一是扭轉(zhuǎn)不規(guī)則情況，二是局部躍層柱情況。盡管不在超限結(jié)構(gòu)范疇內(nèi)，但由于與“B塔”相連，因此仍屬于“復(fù)雜連接”。

對(duì)“B塔”而言，經(jīng)過(guò)不規(guī)則情況分析，共發(fā)現(xiàn)了四處不規(guī)則點(diǎn)：①扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，容易失穩(wěn)；②剛度突變，分布不均；③樓板不連續(xù)；④局部躍層柱。因此在“A塔”與“B塔”連接后，屬于不規(guī)則復(fù)雜連體超限高層。

3 多塔復(fù)雜連接超限應(yīng)對(duì)處理

3.1 應(yīng)用隔震支座與黏滯阻尼器，改善連接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全性

在本工程項(xiàng)目中，“A塔”與“B塔”之間，采用了鋼連廊進(jìn)行連接。在連接位置處，采用了鉛芯橡膠隔震支座與球節(jié)點(diǎn)支座，以梁端為例，具體支座節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

圖2 梁端隔震支座節(jié)點(diǎn)示意圖

在本工程項(xiàng)目中，為進(jìn)一步提升鋼連廊連接的穩(wěn)定性，在連廊與塔之間，還采用了黏滯阻尼器。具體數(shù)量為：在X方向上，布置了4個(gè)黏滯阻尼器；在Y方向上，布置了8個(gè)黏滯阻尼器。

3.2 設(shè)計(jì)剛度較高的跨層BRB，改善結(jié)構(gòu)剛度分布情況

在本工程項(xiàng)目中，由于“B塔”屬于雙塔連體結(jié)構(gòu)，而針對(duì)每個(gè)塔的核心筒，實(shí)際偏置情況比較嚴(yán)重，這很容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度分布不均，影響整體結(jié)構(gòu)安全。為解決這一問(wèn)題，本次設(shè)計(jì)采用了剛度較高的跨層BRB，能夠有效改善“B塔”結(jié)構(gòu)的剛度分布情況。其中跨層BRB的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：①采用了Q235鋼材類(lèi)型；②設(shè)計(jì)承載力為7500kN；③等效截面積為35983mm2；④初始剛度為15×105kN/m；⑤屈服后的剛度比值為0.03。

3.3 采取樓板加強(qiáng)措施，解決樓板不連續(xù)問(wèn)題

在本工程項(xiàng)目中，由于面臨著多層通高的情況，或者存在大開(kāi)洞問(wèn)題。由此導(dǎo)致了樓板存在不連續(xù)現(xiàn)象。其中在樓板的局部位置，有效寬度在50%以?xún)?nèi)，這顯然不利于結(jié)構(gòu)安全。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)上層結(jié)構(gòu)的樓板進(jìn)行加強(qiáng)處理。首先，本工程樓板可以采用現(xiàn)澆混凝土樓板，要求樓板的厚度在150mm以上。樓板配筋應(yīng)采用雙層雙向配筋方式。同時(shí)對(duì)配筋率也要嚴(yán)格要求，比如在本次加強(qiáng)設(shè)計(jì)中，要求樓板配筋率應(yīng)在0.25%以上。如有必要，還可以對(duì)樓板進(jìn)行有限元分析，完成應(yīng)力的補(bǔ)充。然后在后續(xù)施工圖設(shè)計(jì)方面，做好應(yīng)力補(bǔ)充的落實(shí)，從而有效實(shí)現(xiàn)樓板的強(qiáng)化，解決樓板不連續(xù)問(wèn)題。

3.4 做好躍層柱的處理，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)承載要求

在本工程項(xiàng)目中，由于建筑結(jié)構(gòu)為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，再加上為滿(mǎn)足建筑辦公的需要，設(shè)置了一些框架柱，比如局部躍層柱與大開(kāi)間柱。上述這些框架柱結(jié)構(gòu)主要承載的是豎向荷載以及側(cè)向荷載，為保障整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，必須要確保其有著足夠的承載力。因此在上述框架柱中，可采用型鋼混凝土柱，這種類(lèi)型的柱體結(jié)構(gòu)有著非常高的承載力與延性，能夠滿(mǎn)足本工程躍層柱荷載承載要求。除此之外，還能夠控制底部框架柱承載力滿(mǎn)足小震彈性、中震不屈服的設(shè)計(jì)要求。

4 多塔復(fù)雜連接超限結(jié)構(gòu)分析

4.1 塔樓對(duì)鋼連廊地震放大效應(yīng)影響

在本工程項(xiàng)目中，如果發(fā)生地震地質(zhì)災(zāi)害，那么受地震作用的影響，主體結(jié)構(gòu)會(huì)直接承受地震的荷載，然后還會(huì)進(jìn)行荷載傳遞，最終由連廊支座承受。在地震傳遞過(guò)程中，相應(yīng)的荷載振動(dòng)效應(yīng)會(huì)被放大，帶來(lái)更加嚴(yán)重的影響。為了能夠量化這種影響，需要計(jì)算地震振動(dòng)放大效應(yīng)數(shù)值。在計(jì)算分析時(shí)，可采用單塔模型，采用時(shí)程分析方法實(shí)現(xiàn)分析目標(biāo)。在實(shí)際分析過(guò)程中，需要在基底輸入時(shí)程波，該時(shí)程波的加速峰值為220gal。在實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)，選擇單側(cè)塔樓支座作為監(jiān)測(cè)位置，分析時(shí)程波加速度響應(yīng)。在具體進(jìn)行分析時(shí)，可選擇三組地震波。其中一組為人工波，剩余的為天然波。然后，分別開(kāi)展計(jì)算分析。最后，再將塔樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度與地面時(shí)程加速度峰值進(jìn)行對(duì)比，即可得到結(jié)論。比如在本工程項(xiàng)目中，從最終對(duì)比分析結(jié)果（如表1所示）來(lái)看，在受到地震作用影響后，塔樓高位連廊的存在，會(huì)進(jìn)一步放大這種地震效應(yīng)影響。因此為更好地保障結(jié)構(gòu)安全，針對(duì)塔樓空中連廊，必須要做好抗震驗(yàn)算工作，確定合理的地震放大系數(shù)。本工程項(xiàng)目中，地震放大系數(shù)確定數(shù)值為2.0。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)與地面時(shí)程加速度峰值對(duì)比

4.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

在本工程項(xiàng)目中，針對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，需要采用SAUSAGE軟件。在實(shí)際分析過(guò)程中，采用了1條人工波與2條天然波[3]。在實(shí)際輸入地震波的過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)際，按照抗震設(shè)防烈度7度對(duì)應(yīng)的地震，在主震動(dòng)方向上設(shè)置220gal加速度峰值，并做好調(diào)幅工作。在實(shí)際分析過(guò)程中，均選擇應(yīng)用三向地震波，在輸入地震波時(shí)，基于不同的方向，設(shè)計(jì)好不同的輸入比例。比如按照水平主方向、水平次向以及豎向方向，輸入比例可以控制在1∶0.85∶0.65。

通過(guò)上述分析，完成對(duì)不同樓層建筑的墻梁、墻柱、框架柱性能水準(zhǔn)分層統(tǒng)計(jì)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)說(shuō)，受地震作用的影響，墻梁結(jié)構(gòu)將會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的損傷，因此也能夠消耗大部分的地震能量。而框架柱損壞程度較輕，很多均沒(méi)有損壞的痕跡。而墻柱損壞程度最輕，絕大部分無(wú)損壞，少部分的損害程度也比較輕微。在A塔中，在10層與19層邊墻柱位置，損壞程度比較嚴(yán)重。通過(guò)進(jìn)行損壞評(píng)估，已經(jīng)達(dá)到了中度損壞的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)實(shí)際分析可知，第10層與19層均具有結(jié)構(gòu)特殊性。其中前者屬于避難層，后者懸挑比較大，因此在地震影響下，應(yīng)力集中比較明顯，更容易加劇損壞程度。通過(guò)分析剪力墻墻體的損傷可知，在地震作用的影響下，這種損傷屬于剪切型壓縮損傷，而邊緣構(gòu)件沒(méi)有明顯損害的跡象。因此為改善上述問(wèn)題，減少結(jié)構(gòu)損傷，可以在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，注重做好關(guān)鍵樓層（比如上述提到的避難層等）墻身水平分布筋的設(shè)置。而針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)部分損壞分析來(lái)看，針對(duì)連廊斜撐構(gòu)件與B塔桁架構(gòu)件，本身不存在損壞情況。由此可知，上述鋼構(gòu)件有著較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)彈性，因此即使受到地震作用的影響，也不會(huì)受到損傷。

在地震作用影響下，通過(guò)分析鉛芯橡膠支座與黏滯阻尼器時(shí)程結(jié)果可知，受地震作用的影響，橡膠支座發(fā)生了一定的側(cè)向位移。且位移程度不一，其中最大位移為150mm，這一位移距離在產(chǎn)品位移設(shè)計(jì)值與變形縫寬允許數(shù)值之內(nèi)，因此能夠滿(mǎn)足位移要求，保障了結(jié)構(gòu)安全。而對(duì)黏滯阻尼器來(lái)說(shuō)，在地震作用下，同樣出現(xiàn)了位移，其中最大位移為135mm，也在產(chǎn)品設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。而該裝置的最大輸出力為409kN，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)值范圍，不會(huì)出現(xiàn)安全問(wèn)題。最后，通過(guò)對(duì)剛度較高的跨層BRB進(jìn)行分析，在地震作用影響下，該跨層最大拉力與最大壓力分別是8050kN、8118kN，均在BRB屈服承載力范圍之內(nèi)，由此可知，在地震作用影響下，橡膠支座仍處于線(xiàn)性性工作階段，主體結(jié)構(gòu)自身剛度基本不會(huì)出現(xiàn)削弱現(xiàn)象。

4.3 地震作用下整體分析與連廊對(duì)塔樓結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響

在實(shí)際進(jìn)行整體分析時(shí)，需要圍繞單塔模型，計(jì)算地震作用帶來(lái)的影響。在本工程項(xiàng)目中，考慮到地震帶來(lái)的影響，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，針對(duì)支座受力，只進(jìn)行了重力荷載質(zhì)量轉(zhuǎn)換，沒(méi)有考慮連廊受地震放大因素的影響，對(duì)兩側(cè)塔樓帶來(lái)的動(dòng)力荷載。因此在實(shí)際進(jìn)行包絡(luò)分析時(shí)，還需要圍繞塔樓間的連廊結(jié)構(gòu)，完成減震效果的整體性分析。在實(shí)際分析過(guò)程中，需要運(yùn)用“PKPM-SATWE”與“ETABS”軟件。在上述軟件的幫助下，可以建立工程項(xiàng)目整體結(jié)構(gòu)模型。然后利用該模型，選擇在多遇地震條件下，完成結(jié)構(gòu)彈性分析。結(jié)合彈性分析結(jié)果，并與整體模型與單塔模型前三階振型周期進(jìn)行對(duì)比，從最終結(jié)果來(lái)看，整體模型的周期介于單塔模型的A塔與B塔之間。與此同時(shí)，在整體模型中，通過(guò)對(duì)各分塔的樓層剪力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)比整體模型分塔與單塔模型各單體的樓層剪力，最終結(jié)果如表2所示。從表2可知，與分塔模型相比，在X方向與Y方向上，整體模型首層樓層剪力均有所降低。由此可知，整體模型在19層及以下，單塔模型的樓層剪力結(jié)果要高于整體模型的樓層剪力結(jié)果?；诖耍谶B廊與主體結(jié)構(gòu)之間，可以形成與“調(diào)頻質(zhì)量減震系統(tǒng)”比較類(lèi)似的一種減振效益。另一方面，對(duì)整體模型而言，在19層及以上位置處，相較于單塔模型樓層剪力，整體模型的樓層剪力更大，因此如果在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)采用單塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，那么在確定連廊樓層剪力數(shù)值時(shí)，必須要與放大系數(shù)相乘，才能獲得更加準(zhǔn)確合理的結(jié)果。

表2 單塔模型與整體模型第一層樓剪力統(tǒng)計(jì)對(duì)比結(jié)果

4.4 連廊關(guān)鍵構(gòu)件失效分析

為了保障連廊結(jié)構(gòu)安全，在本工程項(xiàng)目中，還需要考慮在連廊一些關(guān)鍵構(gòu)件失效后，是否會(huì)出現(xiàn)連續(xù)倒塌的問(wèn)題。在實(shí)際分析時(shí)，可采用拆除構(gòu)件法。從“高規(guī)”相關(guān)規(guī)定來(lái)看，在完成構(gòu)件拆除工作后，針對(duì)余下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，承載力應(yīng)滿(mǎn)足Rd≥βSd公式要求。在上式中，Sd代表的是余下結(jié)構(gòu)構(gòu)件效應(yīng)設(shè)計(jì)值；Rd代表的是余下結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值；β代表的效應(yīng)折減系數(shù)，不同類(lèi)型構(gòu)件，折減系數(shù)取值也有所不同。比如針對(duì)中部水平構(gòu)件，β取值為0.67；針對(duì)其他類(lèi)型構(gòu)件，β取值為1.0。從最終的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在拆除連廊的一些關(guān)鍵桿件后，比如腹桿、上下弦桿等，均沒(méi)有出現(xiàn)連續(xù)倒塌現(xiàn)象。

連廊上支座也是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的構(gòu)件，在該失效后，是否存在連續(xù)倒塌問(wèn)題，還可以采用非線(xiàn)性動(dòng)力分析方法。這種方法的具體實(shí)施步驟如下：首先，應(yīng)用“PKPMSATWE”與“ETABS”軟件構(gòu)建初始模型，確定具體的失效構(gòu)件。隨后，還需要結(jié)合實(shí)際，獲取相應(yīng)構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)。然后，再利用上述軟件建立等效靜力模型。在分析時(shí)，先拆除失效構(gòu)件，查看模型變化情況。與此同時(shí)，還需要在相應(yīng)位置處，施加反向節(jié)點(diǎn)力，促使結(jié)構(gòu)保持平衡。最后，采用一定的速度，將節(jié)點(diǎn)力移除，即可進(jìn)行非線(xiàn)性動(dòng)力時(shí)程分析。在本工程項(xiàng)目中，針對(duì)單個(gè)支座失效，連廊會(huì)先出現(xiàn)一定的變形，然后變形逐步趨于穩(wěn)定。從中可知，上支座失效后，結(jié)構(gòu)并沒(méi)有出現(xiàn)連續(xù)倒塌的問(wèn)題，由此可有效保障整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。

5 總結(jié)

總而言之，在本工程項(xiàng)目中，建筑結(jié)構(gòu)屬于典型的多塔連接復(fù)雜結(jié)構(gòu)，為保障結(jié)構(gòu)安全，需要進(jìn)行超限分析，并從設(shè)計(jì)層面入手，解決各種問(wèn)題。在這一過(guò)程中，需要從不同角度出發(fā)，結(jié)合結(jié)構(gòu)體系內(nèi)容，分析在地震荷載作用下，對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，比如塔樓對(duì)鋼連廊地震放大效應(yīng)影響、整體分析與連廊對(duì)塔樓結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響等，如此才能從根本上保障建筑工程結(jié)構(gòu)的安全性。