某复杂超限高层建筑的大跨连体结构设计

宋跃飞 淮北建筑勘察设计研究院有限公司

本文对能够复杂超限高层工程建筑的应用需求、结构等方面进行全面分析，对比所选取的不同连体形式。分析所利用的软件为多种有限元软件，探究楼板应力、连体结构的承载力等内容。

此次工程是复杂超限高层结构，建筑的具体表现为高度：36m，地上与地下分别为8层、1层，屋顶有格栅。地上每层高度均在4.5m。第6 层到屋面层均属于大跨度连体结构，连体跨度：63m，宽度：27m，建筑高度13.5m。连体部位建筑主要是应用于办公与会议。

此建筑结构为二级安全等级，结构重要性系数：1.0。设计应用为50年。抗震设防烈度：6度，基本地震加速度设计为：0.05g，抗震设防类别是标准防类中。

连体结构属于钢结构桁架，双侧塔楼为剪刀墙结构体系，其结构平面柱网的尺寸全部为9m。根据我国高层建筑混凝土结构技术的相关要求与标准，针对连体结构各自独立部分，需要具备同样或相似的刚度、体型等。但是，由于本次工程两侧塔楼体积、刚度所存在的差异较大，地震作用方向的夹角约为45°，在地震、风荷载作用下，若连接方式无法对两侧塔楼的整体变形与受力情况进行调整，因此，本工程需要将双侧塔楼与连体结构进行刚性连接，并将此深入塔楼一跨，为确保能够更好地传递水平力，此跨所应用型混凝土结构。

针对两侧塔楼体型差异，需先应用YJK拆分计算连体中的各个独立部分，独立部分的具体情况见图1、表1。

表1 独立部分的周期对比

图1 侧向刚度对比

在计算单塔楼、整体结构后能够发现（见表2），两侧塔楼会因为周期、质量存在差异，同时侧向刚度也存在不同。独立部分2的平面呈现为斜向布置，和独立部分1存在较大夹角，从而使两侧塔楼地震作用方向存在夹角情况。当应用滑动支座会存在较多的问题，由于连体部位为办公、会议，因此需要较高的安全性与舒适度。基于此，可利用两侧塔楼结构与连体刚性连接的结构方案进行。在具体施工过程中，当利用分层组装时，连体最底层结构需要较强的承载能力，不利于施工，可应用整体吊装的施工方式进行。

表2 单塔楼与整体结构主要计算结果对比

4.1 连体方案

分析此次工程建筑所应用的实际要求、结构特点等方面，明确连体方案需要考虑桁架榀数，对两种连体方案进行深入设置，分别为对最外侧两榀桁架设置和连体纵向轴线对四榀桁设置。通过对比，第一种对建筑功能影响较低，且横向范围内无结构构件，但是次梁跨度、构件截面较大，建筑层高度较低，次梁过高的情况下会严重影响建筑净高，导致结构缺少安全性。而第二种结构冗余度高，桁架截面及次梁截面相对较小，利于建筑净高，但是，中间两榀桁架会影响建筑功能。通过分析、对比综合性后，选取第二种方案，构建力学模型进行对比后计算。

在方案一中，中间两榀桁架是主要受力构建，应力比控制截面由中间两榀桁架构建的截面构成。中间两榀桁架支座周围构件内力最大，弦杆端弯矩、斜腹杆周力分别为537kN·m、10944kN，应力比最大值0.84。在方案二中，中间空腹桁架是主要受力构件，支座处弦杆端弯矩1120kN·m，竖杆应力比最大值1.0。表3中方案二的构件截面尺寸相对较大。

表3 两个方案的构建截面对比（mm）

方案一：桁架边跨挠度和中间跨挠度分别为38mm、48mm，桁架竖向刚度较大，中间跨挠度与边跨差异不大；
方案二：桁架边跨挠度和中间跨挠度分别为40mm、74mm。对比方案一，此方案的中间是空腹桁架，所以整体竖向刚度小，边跨与中跨的竖向刚度之间差距较大。综合分析，由于方案二的构件尺寸会对建筑净高造成影响，整体刚度达不到相应的要求与标准，因此，通过考虑选择方案一作为本次连体方案，在方案一种，中间桁架在具体设置时是建筑走廊隔墙，能够减少影响建筑具体功能。

4.2 连体结构计算

4.2.1 小震作用分析

连体与两侧塔楼的有效连接，需要确保连体桁架弦杆通长贯通，可以直接深入两侧塔楼的结构内，并且水平力可以与竖向荷载保持一个平行可靠的传递状态。小幅度震动的作用下，连体结构中间榀桁架的强度应力比最大值为0.80，主要位于支座腹杆处。

4.2.2 大震作用下动力弹塑性时程分析

此工程属于复杂性的超限高层建筑，为了能够更好地实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震目标，需要选择符合性能标准的抗震设计方法，基于综合考虑的结果，设定本次工程结构各个部分的抗震性能都符合要求，均为C 级，考虑的内容主要包括设防的类别、强度、场地条件、建造所需要的费用等。不光大跨度的连体结构桁架支座柱作为整个结构中关键构件，连体桁架也起着至关重要的作用，性能通常为中震度的弹性，大震不屈服。在对基于大震作用下的弹塑性时程分析前，需要先采用YJK完成对模型静力和模态分析，随后采用SAUSAGE 再次完成对施工过程中整体施工模拟和模态分析，分析完成后整合分析数据，采用校核模转换结构的准确程度，从YJK转换到SAUSAGE。严格按照建筑场地具体类型和地震设计分组情况，选择具有实际应用效果的两组地震数据，同时还要选择采用人工模拟完成的加速度时程曲线，遇到非常罕见的地震时，峰值的加速度值就会发生变化，通常取125gal。

大震作用下，连体两侧塔楼很大一部分墙体都没有受到任何程度的损伤，只有小部分与连梁相近的墙体出现了不同程度受压损伤，具计算发现，受压因子仅有0.1左右，对其他系统并未造成任何程度的影响。部分墙体有受拉损伤的现象，具计算损伤因子的上限值为0.4，墙体纵筋、水平筋都没有出现任何塑性应变的现象。连体两侧的柱子采用的柱子类型为型钢混凝土柱，一旦此结构受到大震，同样不会出现严重的受压损伤现象，即使在不特定的情况下出现了也只是极少数，不会造成不可弥补的影响。计算数值可知，大震作用下损伤因子仅为0.1左右。大部分屋面位置和少部分的柱子底部，都出现了不同程度的混凝土受拉损伤。柱中钢骨和钢筋都与桁架紧密相连，均为发生塑性应变，没有进入屈服。大震程度下，整体楼板的受压程度与损伤程度都会在此作用下逐渐变小，发生损伤部分的主要原因是与连体和塔楼连接的距离太近。由于楼板的钢筋没有直接出现屈服现象，所以不会对剪力传递速度的快慢造成任何影响。连体结构桁架钢结构内的各个构件，一旦受到较大外力的影响，也不会产生塑性应变。

4.3 楼板舒适度分析

通过利用0.5m 网格细分连体楼板，详细计算楼板自振频率。楼板第一阶模竖向自振频率为2.1315Hz，无法满足我国高层建筑混凝土结构的相应标准与要求，因此需要对此进行竖向振动加速度峰值验算。在具体验算过程中，根据步速1m/s 施加时程步行荷载，在两种不同工况的情况下，楼板的峰值加速度为0.0591m/s2、0.0675m/s2，都能够符合相关规定与要求。当前所设计的建筑能够达到舒适度的标准。

4.4 连体部位构造措施

通过对大跨度连体结构应用构造措施，以此提升整体结构，具体包含以下几种措施：（1）采用刚性连接对连体结构、塔楼进行连接，在主体结构一跨中伸入连体结构。（2）连体部位与两侧塔楼两跨范围内楼板为150mm的厚度，利用双层双向钢筋网，各个层的不同方向钢筋网的配筋率应当超过0.30%。（3）应当加大连体部位边梁截面。（4）针对连体高度的范围和连体高度上、下层，提升连体和连体向量结构构件的抗震性，增加其等级，对框架剪力墙抗震需要提升为二级等级。（5）与连体向量的框架柱需要应用型钢混凝土柱，对箍筋全段进行加密，降低压轴比限值为0.05。（6）在连体高度范围和连体高度上、下层，对连体相连的剪力墙设置约束边缘构件。

综上所述，针对复杂超限高层的连体设计过程中，通过计算连体楼板应力分析、单塔计算分析等内容，在对薄弱部位进行提升时，充分利用相应的措施，使结构能够达到抗震设防目的。

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