某超限高層建筑連體結(jié)構(gòu)設(shè)計

田繼平

本工程由兩個塔樓和高位大跨連廊組成的高層連體結(jié)構(gòu)。由于建筑效果要求，兩片邊榀主受力桁架不能通過框架柱支承，從核心筒相應(yīng)位置伸出斜柱作為桁架的支承結(jié)構(gòu)，斜柱采用鋼管混凝土柱。塔樓核心筒剪力墻及部分框架柱延伸至大屋面之上、連體底標高處，并內(nèi)置鋼骨與連體鋼構(gòu)件相連，連同部分延伸至同一標高的鋼筋混凝土框架柱，作為中央兩榀連體主受力桁架的支承結(jié)構(gòu)。連接體位置高，跨度較大，且兩端塔樓層高與連體結(jié)構(gòu)不同，同時因塔樓與連體采用兩種不同類型的材料，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。設(shè)計采取多種抗震技術(shù)措施，詳細分析了連體結(jié)構(gòu)的受力性能。

一、工程概況

本項目位于寧波杭州灣新區(qū)，包括兩個地塊：A地塊塔樓地上共23層，地上建筑面積32712.79㎡，建筑功能為超高層開放式辦公（一、二層為商業(yè)）；B地塊塔樓地上共23層，地上建筑面積34754.97㎡，建筑功能為超高層開放式辦公及酒店。兩棟塔樓大屋面高度分別為93m和93.5m，在大屋面之上從100.7m標高開始以7.5m高的連體結(jié)構(gòu)相連，連體頂部兩塔樓分別有局部小屋面，小屋面標高116.1m，屬A級超限高層建筑。

二、主要設(shè)計參數(shù)

本工程設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為6度（0.05g），安全等級為二級，建筑場地土類別為Ⅲ類，特征周期Tg=0.45s，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。設(shè)計地震分組為第一組。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010），水平地震影響系數(shù)最大值為αmax=0.04，周期折減系數(shù)取0.85，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。框架、剪力墻抗震等級為三級，連接體及與連接體相鄰的結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震等級為二級。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）（2006年版），地面粗糙度按C類考慮，體型系數(shù)為1.3，基本風壓為wo=0.50kN/m2。

三、 結(jié)構(gòu)連體的處理

結(jié)構(gòu)連體位置為頂部，鋼桁架連體標高范圍為100.7～110.5m，兩棟塔樓之間最大跨度為60m，兩側(cè)懸挑最大跨度為20m，連體總長度約180m。由于跨度較大，連體結(jié)構(gòu)采用整層高鋼桁架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，沿跨度方向布置4榀鋼桁架，桁架貫通整個連體平面，垂直桁架方向布置樓面鋼梁作為桁架的側(cè)向支撐和樓面受力結(jié)構(gòu)，中央60m跨度處布置兩道整層高次桁架，提高連體結(jié)構(gòu)整體性。塔樓核心筒剪力墻及部分框架柱延伸至大屋面之上、連體底標高處，并內(nèi)置鋼骨與連體鋼構(gòu)件相連。局部小屋面標高為117.7m，通過連體桁架上托樓面鋼柱實現(xiàn)。大屋面到連體之間的連體下層、及連體層，層高均較高，大于7 m，而其下標準樓層層高為3.9m，樓層側(cè)向剛度到此處明顯變小。且由于連體層有剛度較大的桁架，連體下層抗側(cè)剛度明顯小于連體層，豎向構(gòu)件抗剪承載力計算值也有突變。但是連體層桁架實際受力并非高層結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力豎向構(gòu)件，主要功能是承受大跨結(jié)構(gòu)的豎向荷載，因此連體下層結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度和抗剪承載力計算值的突變雖然較大，但此處抗側(cè)力系統(tǒng)側(cè)向剛度特別薄弱。另一方面，由于連體結(jié)構(gòu)為大跨大桁架，面積大、跨度大、自重大，且位于結(jié)構(gòu)頂部，地震作用大，因此對結(jié)構(gòu)抗震有一定不利影響。連體結(jié)構(gòu)側(cè)向迎風面大且位于結(jié)構(gòu)頂部，風荷載作用也較下部樓層要大。

連體下層豎向構(gòu)件截面和配筋均進行適當加強，按關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計，設(shè)計性能目標為中震正截面不屈服、斜截面彈性，大震不屈服。連體桁架主要構(gòu)件也按關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計，設(shè)定性能目標為中震彈性、大震不屈服。連體鋼構(gòu)件與下方鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用內(nèi)置鋼骨進行節(jié)點連接，設(shè)計時保留適當?shù)陌踩哂喽?。連體層樓面進行其多遇地震、設(shè)防地震和溫度作用下的樓面應(yīng)力分析，并參考計算結(jié)果進行樓板配筋設(shè)計，保證設(shè)防地震作用下和溫度作用下樓板鋼筋不屈服。采取上述措施以滿足連體結(jié)構(gòu)豎向力和水平力能有效地傳遞到下方塔樓，提高結(jié)構(gòu)受力性能。對連體結(jié)構(gòu)大跨和大懸挑樓面振動頻率和加速度進行分析，以滿足結(jié)構(gòu)正常使用性能的要求。

圖1 連體結(jié)構(gòu)模型

四、多遇地震下結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

采用兩種結(jié)構(gòu)計算軟件進行多遇地震下彈性計算分析比較，并補充彈性時程分析與振型分解法進行對比分析。對結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下各項指標進行驗算，對大跨和大懸挑樓面振動頻率和加速度進行分析，以驗證結(jié)構(gòu)是否滿足正常使用性能的要求。結(jié)構(gòu)彈性計算設(shè)計采用有限元計算程序YJK，計算復(fù)核程序采用Etabs。計算分析整體指標統(tǒng)計采用剛性隔板假定結(jié)果，構(gòu)件設(shè)計采用非剛性隔板假定的結(jié)果。實際建筑兩個塔樓層高有所差別，但相差不大，計算模型差用一致的層高。 連體頂出屋面小塔樓建模計入分析模型，不屬于主要抗側(cè)力體系，各項整體指標按鋼框架結(jié)構(gòu)控制。上部結(jié)構(gòu)嵌固端取為地下室頂板。

對單塔模型（連體自重作為荷載施加于塔樓頂）的計算分析表明，兩棟塔樓各自平扭周期比均不大于0.9，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不大，且動力特性較為一致。

計算結(jié)果表明兩個軟件計算的具體值有所差別，但結(jié)果趨勢是一致的。按抗規(guī)計算，22、23、24層為薄弱層，按高規(guī)計算則僅1、23、24層為薄弱層，其中23、24層為連體下方樓層，連體下方薄弱層產(chǎn)生的原因是連體層整層高桁架剛度較強，實際上連體桁架主要為承受豎向荷載的構(gòu)件，而非整體抗側(cè)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)體系框架-混凝土筒體并無剛度突變情況。設(shè)計中對1、22、23、24層地震剪力均放大1.25倍。

五、罕遇地震彈塑性動力時程分析整體計算結(jié)果

結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的動力彈塑性時程分析，計算軟件采用結(jié)構(gòu)動力彈塑性計算軟件PKPM-SAUSAGE（PKPM Seismic Analysis Usage）。PKPM-SAUSAGE軟件經(jīng)過大量的測試，可用于實際工程罕遇地震下的性能評估，具有以下特點：大震分析采用不計地下室的地上部分結(jié)構(gòu)模型。各塔大震SAUSAGE模型前6階周期與重力荷載代表值與YJK小震彈性計算結(jié)果對比分析，SAUSAGE計算結(jié)果與YJK小震結(jié)果吻合較好。本次計算采用程序自帶的對應(yīng)場地周期Tg=0.50s的一組模擬人工波和二組天然波作為動力時程分析的地震波輸入。由于本結(jié)構(gòu)連體為大跨結(jié)構(gòu)，故分析采用雙向水平地震+豎向地震輸入，主次方向和豎向地震波峰值為1∶0.85∶0.65，根據(jù)規(guī)范，地震波有效峰值加速度EPA為125cm/s2。結(jié)構(gòu)層間位移角X和Y向最大分別為1/204和1/109，均不超過規(guī)范限值1/100，滿足“大震不倒”的要求。

可見，結(jié)構(gòu)能滿足強柱弱梁的要求，豎向構(gòu)件絕大部分還未屈服，連體主桁架基本未出現(xiàn)塑性損傷，結(jié)構(gòu)整體安全能得到保證，連梁屈服最早，框架梁也有相當部分屈服，連梁和框架梁起到了耗能作用。

六、結(jié)語

本工程采用鋼筋混凝土框架-核心筒體系，雙塔在頂部有鋼連體相連。通過相對合理的結(jié)構(gòu)布置并對結(jié)構(gòu)薄弱處采取了有效的設(shè)計措施，從而使得結(jié)構(gòu)具有滿足規(guī)范要求的抗震性能。各方面的計算結(jié)果表明，目前的結(jié)構(gòu)方案可以滿足規(guī)范的抗震性能目標要求，各項性能指標均符合現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求。針對結(jié)構(gòu)連體采取了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強措施和補充計算分析，結(jié)構(gòu)具有合理的抗震性能。補充了各工況下大開洞樓面和連體層樓面的樓板應(yīng)力分析，以滿足樓面水平力傳遞的要求。連體大跨度挑樓面結(jié)構(gòu)的振動頻率和加速度不能滿足規(guī)范要求，采用TMD減振后驗算滿足要求。結(jié)構(gòu)整體受力和各構(gòu)件受力均能滿足設(shè)定的抗震性能目標要求。