福州市东部新城商务办公中心区, 位于福州东部新城南江滨路以北、鼓山大桥以西, 分东、西两地块。西地块为商务办公中心主功能区, 整体建筑群地上部分共有4幢结构单体, 分别为AB, CD, EF, GH座, 地下室为两层的整体大底盘结构。整体建筑群立面简洁大方, 体现了时代性和地域特征, 力求成为福州市对外展示的形象窗口。本工程的使用功能为办公及配套商业, 地下室使用功能为汽车库、设备机房和后勤辅助用房。总建筑面积为337 028m²。建筑效果图如图1所示, 总平面布置图如图2所示。本文主要介绍AB座, CD座详细情况参见文献[1]。

　　 AB座是由A, B两座办公楼及其之间40m高的两片单层索网玻璃幕墙和连体桁架组成的连体结构。其中A座与B座塔楼呈对称布置, 两座塔楼平面长度均为58.8m, 索网及连体桁架跨度42m。AB座总平面尺寸为159.60m×25.20m, 高度为76.8m, 地上18层, 地下2层, 柱网为8.40m×8.40m, 结构采用框架-核心筒-剪力墙结构体系, 底部两层柱截面尺寸为1m×1m, 墙厚0.5m;3～9层柱截面尺寸为0.9m×0.9m, 墙厚0.4m;其余柱截面尺寸为0.8m×0.8m, 墙厚0.3m。A, B座塔楼之间的两片单层索网玻璃幕墙高度为40m, 顶端与连体桁架相连, 竖向索直径为52mm, 水平索直径为40mm。连体高4m, 宽25.2m, 其底部位于结构第14层。

　　 AB座为连体结构, 属于《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2002) ^[2] (简称高规) 中规定的复杂高层结构, 其长宽比为159.6/25.2=6.333, 超过高规限值6.0;AB座计算层间位移比大于1.2, 小于1.4, 为扭转不规则;连体结构下一层受剪承载力小于其上一层受剪承载力的80%, 为软弱层。由于工程结构为超限高层结构, 需进行抗震性能化设计。超限设计可行性论证报告已于2010年9月完成并通过了福建省住建厅组织的抗震超限审查。

　　 本工程40m高两片单层索网玻璃幕墙与单层连体的结构形式在现有工程项目中并不多见, 本文主要介绍两片单层索网与单层连体的设计及其对主体结构的影响。

　　 本工程主体结构设计使用年限为50年, 抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度为0.10g, 设计分组为第二组, 场地类别为Ⅱ类, 特征周期为0.40s^[3]。设计基准期50年基本风压为0.70kN/m², 设计基准期100年基本风压为0.85kN/m²;基本温度为-5～45℃^[4]。

　　 本工程连体桁架与A座、B座混凝土结构采用刚性连接。连体桁架作为单层索网玻璃幕墙的支承构件, 还需协调两个塔楼的整体变形, 因此面内面外均有较大刚度要求, 故采用空间交叉桁架体系, 由4榀横向桁架和4榀纵向桁架组成。因连体桁架高度与建筑立面效果密切相关, 连体桁架高度越小越好。为了考察连体桁架的高度及形式对整体结构性能的影响, 用MIDAS软件分别计算采用单层桁架无水平支撑 (模型1, 高度4m) 、单层桁架带水平支撑 (模型2, 高度4m) 、双层桁架带水平支撑 (模型3, 高度8m) 三种不同连体形式的整体结构的动力性能, 自振周期见表1。

　　 由表1可知:1) 模型1的自振周期比模型2的自振周期约长25.2%, 而且前几阶振型表现为连体桁架的局部振动, 说明连体桁架的刚度偏小, 不能协调主体结构的变形;2) 模型2和模型3的自振周期和振型差异很小, 模型3的自振周期比模型2的相应周期略短, 说明模型3连体桁架刚度略大, 但差别很小, 又说明连体结构高度由4m增加到8m后对整体结构的影响较小。综上, 连体桁架平面内是否设置水平支撑比增大桁架高度对主体结构的影响大。因此, 加强连体桁架水平刚度, 在平面内增设水平支撑以保证连体桁架能协调整体结构的变形。

　　 连体采用单层空间交叉桁架体系, 高4m, 跨度为42.0m。4榀纵向桁架两端分别与A座、B座混凝土结构刚性连接, 纵向外侧的两榀桁架与两片单层索网的29根竖向索相连, 单根索最大拉力为830kN。连体结构构件布置及桁架立面图如图3, 4所示。

　　 为保证连体桁架对单层索网玻璃幕墙的有效支承, 控制连体桁架在1.0恒载+1.0活载作用下的竖向挠度不大于L/800 (L为连体跨度) ;在1.0倍索网面外方向风荷载作用下, 水平位移不大于L/800;由于连体桁架使两座塔楼形成整体, 直接影响整体结构的动力特性、地震作用、内力分布等, 对结构安全性尤为重要, 控制连体桁架应力比小于0.85。连体桁架设计采用整体模型, 1.0恒载+1.0活载工况下竖向位移见图5, 1.0风荷载工况下索网面外方向水平位移见图6。连体钢结构构件的应力比如图7所示。

　　 由图5～7可知, 1.0恒载+1.0活载工况下连体桁架最大竖向位移约为45mm, 为跨度的1/933;1.0风荷载工况下最大水平位移约为16mm, 为跨度的1/2 625;连体桁架钢结构构件应力比最大值约为0.82, 不大于0.85。

　　 两片单层索网玻璃幕墙顶端与连体桁架相连, 底端与下部混凝土结构相连, 左右两端分别与A座、B座混凝土结构连接, 在AB座中间形成通透的中厅空间, 跨度42m, 高44m;竖向索为ϕ45@1 400, 水平索为ϕ48@2 000。

　　 由于单层索网有非常大的预应力荷载, 计算分析需采用非线性计算方法。为考察单层索网对整体结构动力特性及动力响应的影响, 利用ANSYS软件建立有预应力索网模型 (模型A) 和无预应力索网模型 (模型B) , 分别进行模态分析及反应谱分析。

　　 图8为有预应力索网模型的前4阶振型模态, 表2为两种模型前20阶周期对比。由表2可知:1) 有预应力索网模型前4阶振型模态和无预应力索网模型计算结果基本一致, 第1阶振型为Y向平动, 第2阶振型为X向平动, 第3阶振型为扭转, 第4阶振型为连体两边的塔楼独立扭转;2) 两种不同模型前10阶振型周期相差不到5%, 后面的高阶振型周期相差大一些, 有预应力索网模型的周期比无预应力索网模型的周期稍小, 高阶振型尤其明显, 也就是说预应力索网对结构的刚度有一定的增大作用, 低阶振型表现不明显, 高阶振型表现较为突出。

　　 为了进一步考察预应力索网对整体结构地震响应的影响, 分别对上述两种模型进行了振型分解反应谱分析, 选取混凝土结构上临近预应力索网的节点, 比较两个模型的位移响应, 表3仅给出典型楼层位移。

　　 由表3可知:两种模型采用振型分解反应谱法计算所得同一列柱的顶点位移相差较小, 有预应力索网模型比无预应力索网模型的位移大1%左右, 说明单层索网尽管有非常大的预应力, 但其对主体结构的刚度贡献还是很小的。因此, 对整体结构进行地震响应分析时, 为了简化计算, 可以不考虑预应力索网的作用。从另一个角度考虑, 由于单层索网质量很小, 其自身的振型主要表现在高阶振型上, 因此地震作用较小时, 也可以忽略索网对整体结构地震响应的影响。

　　 索网幕墙的边界由两侧塔楼及塔楼之间的连体桁架构成, 在地震尤其是罕遇地震作用下, 边界变形复杂, 若两侧塔楼变形一致, 且相位相同, 拉索的内力基本不会变化;若两侧塔楼相互远离, 拉索的内力会增大, 甚至被拉断, 导致幕墙构件失效;若两侧塔楼相互靠近, 拉索内力会减小, 甚至松弛, 同样会导致幕墙构件失效;因此, 研究地震作用下拉索的内力变化非常重要。

　　 由于拉索的变形是一个大变形非线性过程, 不能采用反应谱法计算, 本文采用ANSYS软件对包含索网幕墙的整体结构进行大震时程分析, 鉴于结构的材料包含混凝土、钢筋、不锈钢拉索、型钢等, 时程分析时仅考虑几何非线性, 不考虑材料非线性。地震波选择满足规范要求的三条波 (包含一条El Centro波、一条Tafe波及一条人工波) , 分析对比竖向拉索、水平拉索跨中及端部等不同部位拉索位移和内力的变化。限于篇幅, 本文以El Centro波计算结果为例进行分析说明。

　　 选取不同位置的典型节点及单元进行分析, 所选节点及单元位置如图9所示, 相应节点编号、单元编号如图10所示, 其中索边界节点为索网与主体结构的连接节点。

　　 El Centro波罕遇地震作用下索网边界节点、典型索网节点X向位移、Y向位移分别见图11, 12 (索网节点X, Y向位移仅分别给出第一行N11, N13, N15和第二列N13, N23, N33, N43, N53的位移值, 其余行或其余列规律与文相同) 。不同位置边界节点与索网节点位移比较见图13～15, 索单元应力见图16。其中X向为索网平面内水平方向, Y向为索网法线方向。

　　 通过对比索网节点及边界节点的位移曲线、索单元应力曲线可知:1) 索网节点与边界节点X向位移规律完全一致, 节点位置越高位移越大, X向坐标值小的节点位移大, 最大位移值为B11节点。所有节点时程位移曲线形状相同, 索网与主体结构X向变形同步。2) 不同位置索网节点Y向位移变形相位相同, 规律比较一致, 但边界节点位移曲线平滑, 跨中节点 (N13, N33) 位移大且位移曲线不平滑, 跨中最大位移约200mm, 同一标高处索网节点最大相对位移约110mm, 满足幕墙构件安全性要求。3) 跨中索单元应力小, 端部索单元应力大, 索单元应力最大为288MPa, 最小为125MPa, 竖向索及横向索均不会出现拉断或松弛, 造成构件失效的情况。综上所述, 索网在罕遇地震作用下与主体结构位移相位相同, 索网结构构件不会破坏。

　　 (1) 连体桁架的水平刚度较连体桁架的竖向刚度对整体结构动力特性的影响更为明显, 设计时应保证连体结构的水平刚度以保证两侧塔楼的协调变形。

　　 (2) 连体作为两片单层索网幕墙的约束点, 为保证索网变形不超过幕墙构件要求, 对连体结构竖向刚度的要求大于对普通桁架楼层的竖向刚度的要求。

　　 (3) 两片单层索网对整体结构前10阶模态振型影响不明显, 仅高阶振型可看出其对整体结构刚度有增大作用。采用振型分解反应谱法计算整体结构地震响应时, 可忽略索网对结构刚度的贡献, 计算采用不考虑索网的模型。

　　 (4) 对本工程单层索网进行罕遇地震非线性时程分析, 结果表明索网变形与两侧塔楼相位一致。最大位移和最大相对位移满足幕墙构件安全性要求;预应力索不会出现拉断或松弛等构件失效的情况。