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分为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, 总建筑面积337 028m²。

　　 本文主要介绍CD座, AB座详见文献[1]。CD座由C座办公楼、D座办公楼和C, D座之间的大跨连体组成。CD座办公楼建筑效果图见图1。由于塔楼角部内收, 连体跨度63.30～75.60m不等, 连体结构总长210.00m。C座塔楼与D座塔楼对称, 塔楼长73.50m, 宽25.20m, 柱网尺寸8.40m×8.40m, 结构高度57.60m, 地上14层, 地下2层。地下2层层高3.60m, 地下1层层高5.20m, 首层层高2.80m, 主要用于自行车库, 2层层高6.00m, 2层以上各层层高4.00m。建筑平面图见图2。

　　 CD座长宽比为8.333, 整体计算中, 层间位移比大于1.2, 小于1.4, 为扭转不规则结构;由于存在高位大跨连体, 造成竖向构件间断;连体下一层受剪承载力小于上一层的80%, 造成承载力突变^[2]。综上, 本项目为抗震超限工程, 2010年9月通过了福建省住建厅组织的抗震超限审查。

　　 本工程建筑结构安全等级二级;主体结构设计使用年限50年;抗震设防烈度7度, 设计基本地震加速度0.10g, 设计分组第二组, 场地类别Ⅲ类, 抗震设防类别丙类^[3]。基本风压:设计基准期为50年基本风压0.70kN/m², 设计基准期为100年基本风压0.85kN/m²;气温:冬夏极端温度分别为-5, 45℃^[4]。

　　 从结构合理和经济的角度考虑, 塔楼结构采用框架-剪力墙结构体系, 在建筑的楼梯、电梯间布置核心筒或剪力墙, 其余办公区布置框架柱。为了减轻结构自重, 连体部分采用钢结构, 通过型钢梁与塔楼核心筒刚性连接。连体部分楼盖采用轻质混凝土。2层地下室顶板及1层地下室顶板除上部有塔楼部分外均采用无梁楼盖体系, 上部有塔楼的1层地下室顶板采用梁板楼盖体系, 1层地下室顶板为上部结构的嵌固端。

　　 静力荷载 (包括风荷载) 作用下, 所有构件均处于弹性;小震作用下, 所有构件、节点均处于弹性;中震作用下, 连体及与连体直接相关的所有构件不屈服, 连体支座节点弹性;大震作用下, 钢构件产生少量第一阶段塑性铰, 主要抗侧力构件不屈服, 经修复后可使用, 连体支座节点不屈服, 结构最大层间位移角小于1/120。

　　 调整剪力墙及洞口的布置, 尽量降低结构扭转周期比至0.8左右, 增大结构的抗扭刚度, 减小结构在地震作用下的扭转效应;增加Y向的抗侧力构件布置, 使得两个方向的抗侧刚度一致;加强底层桁架层和顶层桁架层, 同时加强桁架之间的支撑, 保证连体部分的抗扭刚度。地下室1层顶板采用200mm厚现浇混凝土楼板, 采用双层双向配筋, 并保证配筋率不小于0.25%。

　　 连体支座节点按中震弹性、大震不屈服设计;所有连体及边缘构件 (支承连体的剪力墙) 按照中震不屈服设计;连体部分通过型钢梁与塔楼连接;连体底层及顶层设置水平支撑, 现浇楼板板厚为150mm, 配筋采用双层双向钢筋网, 且配筋率不小于0.25%;经计算, 2, 10层为软弱层, 层间地震剪力放大1.15倍, 框架柱箍筋全高加密;与连体相关构件抗震等级提高一级;采用轻质混凝土楼板降低连体部分自重, 减小地震作用。

　　 采用60d的混凝土实测强度作为控制强度, 强度值不大于设计强度的1.2倍。顶层顶板混凝土采用矿渣水泥 (水化热低) 以减少水泥用量, 水泥用量不宜大于550kg/m³, 并掺加50%水泥用量的复合矿物质掺合料 (粉煤灰和矿渣粉) ;粗骨料含泥量不大于1%, 并控制细骨料含泥量不大于1.5%。控制混凝土坍落度 (100±20) mm, 采用较小的水胶比 (不宜大于0.55) 。拆模后混凝土周围相对湿度达到80%, 应控制浇筑后混凝土的内外温差不超过25℃。后浇带应低温合拢, 在后浇带混凝土中掺入适量的膨胀剂 (掺量为水泥用量的10%) , 使其膨胀值大于混凝土后期收缩值, 保证混凝土不开裂, 且应低温养护。在顶板和底板中增加温度配筋, 并采用双层双向配筋。

　　 C, D座之间的3层连体层高分别为4, 4, 8m, 宽度为20m。根据柱网布置, 连体由4榀桁架组成。由于建筑立面的需要, 4榀桁架跨度不等, 最北端边榀桁架跨度为71.30m, 其余3榀为63.30m。建筑不希望在连体的南北立面出现斜向构件, 因此南北两侧的边榀桁架不能布置斜腹杆。同时, 需要在连体3层中部布置一个高8m、尺寸25.2m×14.1m的大厅, 且其中间两榀桁架的跨中部位不能布置柱, 以免影响桁架的整体性, 这给结构设计增加了难度。

　　 由于连体和塔楼刚性连接, 连体不仅需要承受自身荷载, 满足建筑使用功能, 还需要具有较大的整体刚度以协调两侧塔楼整体变形, 否则将会造成两侧塔楼变形不协调、相对位移过大等情况。同时连体设计还需综合考虑建筑外观、材料用量、施工便捷性等因素。连体的选型与设计是综合考虑诸多要素的过程。

　　 针对本工程的特点, 选取4种连体形式建立力学模型进行计算, 通过对各方案的对比分析, 得到最佳连体结构形式, 为类似工程提供参考。

　　 方案A为底部支承方案, 构件布置见图3。连体由4榀纵向桁架、8榀横向桁架组成。连体底部两层为8m高的空间正交桁架结构层, 承受其上部结构传来的荷载, 并提供刚度协调两侧塔楼的变形。由于斜腹杆较多, 结构层内部的房间布置会受到一定影响。

　　 方案B为底承顶吊方案, 构件布置见图4。在连体顶部和底部各设置一层3m高的正交桁架结构层, 由顶部和底部的结构层共同承担连体自身荷载、协调塔楼变形。由于受力构件主要布置在连体的顶部和底部, 连体层范围内没有斜腹杆, 此方案能为建筑使用提供较好的空间。

　　 图4 方案B构件布置图

　　 方案C为整体空腹桁架方案, 构件布置见图5。由4榀空腹桁架组成连体, 共同受力。考虑到连体两端靠近支座处型钢柱承受的弯矩和轴力较大, 连体两端的型钢柱适当加密, 间距由8.4m变为4.2m。方案C整个连体没有斜腹杆, 能为建筑使用提供较好的空间, 同时连体顶部和底部没有结构层, 能有更好的建筑外观效果。

　　 方案D为整体支承方案, 构件布置如图6所示。此方案的思路是把连体作为一个整体来考虑。在连体顶部和底部分别布置2m高的结构层, 用于抵抗竖向荷载。此方案连体可以等效为一个实腹构件, 相当于“巨型双腹板H形截面”, 等效后构件示意图如图7所示。顶部和底部结构层相当于构件的翼缘, 竖向桁架相当于构件的两块腹板。双腹板形式不仅能提高构件的竖向刚度, 对抗扭刚度的提高也有很大帮助。内侧两榀竖向桁架, 在建筑可行的地方, 全部加上斜撑, 同时在桁架的平面外方向加上斜撑, 用于抵抗水平荷载, 增加结构的刚度。但由于斜腹杆较多, 此方案会在一定程度上影响建筑的使用功能。

　　 图8、图9为各方案在恒荷载+活荷载作用下北侧第二榀纵向桁架轴力和弯矩示意图。表1为各方案构件最大截面。从图8、图9可知, 方案A主要由底部结构层受力。由于南北两侧边榀纵向桁架不能布置斜腹杆, 刚度较弱, 连体自身荷载主要由刚度较强的中间两榀纵向桁架来承担。边榀纵向桁架的荷载通过横向桁架传到中间两榀纵向桁架上, 再由中间两榀纵向桁架传递给两侧塔楼。所以中间两榀纵向桁架的底部结构层承受了大部分连体荷载, 这两榀桁架支座附近构件内力较大, 梁端弯矩为8 010kN·m, 斜腹杆轴力达10 493kN。相应的构件截面也较大, 连体端部梁高1.40m, 斜腹杆高0.75m, 相对于4.00m的层高来说, 梁和斜腹杆的高度已经影响到了建筑使用功能。由于连体3层跨中不能布置柱, 该处顶梁跨度达25.20m, 梁截面所需尺寸也较大。

　　 方案B与方案A的区别在于底部结构层减少为一层, 同时在顶部增加一层结构层, 由底部和顶部两个结构层共同承担连体荷载, 形成底承顶吊的受力模式。但是由于顶部和底部结构层的边界条件不相同, 造成两结构层的刚度不等。受此影响, 连体只在距离支座较远的中间部分形成底承顶吊的传力模式。在连体端部, 荷载传递路径并不清晰, 一方面, 荷载直接通过与塔楼相连的梁传递给塔楼, 另一方面, 由于上部结构层的支座刚度小、下部结构层的支座刚度大, 荷载有从上向下传递的规律, 由刚度较大的底部结构层承受顶部传来的荷载。因此底部结构层的梁端弯矩较大, 为8 439kN·m, 斜腹杆轴力为8 648kN。连体端部梁高1.60m, 斜腹杆高0.70m, 也会影响到室内使用功能。与方案A不同的是, 由于连体顶部布置了结构层, 连体3层的大跨荷载不由单根梁承受, 而是由桁架承受, 受力形式好于方案A。

　　 方案C为空腹桁架结构, 由于没有斜腹杆, 梁承受的剪力较大。支座附近梁剪力达3 354kN, 梁剪力从跨中向支座逐步递增, 跨中部位梁剪力最小。梁和柱子的弯矩也有类似的规律。方案C端部梁弯矩为7 056.1kN·m, 拉力为3 477kN, 因此连体端部梁和柱的截面也相对较大, 端部梁截面高1.40m, 影响建筑使用功能。同时, 连体3层顶大跨部位仍然存在与方案A同样的问题。

　　 方案D连体端部斜腹杆轴力为6 150kN, 梁端最大弯矩为1 965kN·m, 构件内力比前三种方案小很多。可见方案D整体性较好, 所有杆件的受力较为均衡, 杆件承载力都得到了充分发挥。连体杆件的截面也较小, 端部梁高为0.80m, 对建筑使用功能影响较小。为实现连体与塔楼的刚性连接, 连体与两侧塔楼连接处的框架柱采用钢骨混凝土柱, 连体的型钢梁延伸入塔楼一跨, 与混凝土柱中的钢骨混凝土柱刚接。方案A, B, C钢梁高为1.50m左右, 截面太大, 给钢骨混凝土梁、柱的节点设计带来较大的困难, 方案D梁截面较小, 相比之下更有利于节点设计。

　　 综合来看, 方案D传力路径清晰, 构件截面较小, 优于其他三种方案。

　　 各方案的主要计算参数及结果见表2。由表2可知, 各方案的构件最大应力比和挠度都满足规范要求。方案A的竖向刚度主要由底部两层结构层提供, 连体3层对竖向刚度贡献较少, 所以方案A连体的竖向刚度并不大, 挠度为L/609;方案B具有顶部和底部两个结构层, 整体竖向刚度比方案A好, 挠度为L/1 266;方案C没有斜腹杆, 竖向刚度较弱, 挠度也较大, 为L/772;方案D整体性较好, 顶部和底部两个结构层相当于连体的翼缘, 中间两榀纵向桁架相当于连体的腹板, 竖向刚度较好, 挠度为L/1 623, 在四种方案中最小。

　　 从连体振型来看, 四种方案连体的第1阶振型都为竖向振动, 第2阶振型都为扭转振型。与挠度一样, 竖向振型的周期大小也是竖向刚度的体现。方案D竖向振型周期最小, 可见方案D的竖向刚度最大, 这与通过挠度对比得到的结论一致。

　　 方案A和方案C的扭转周期最大, 抗扭刚度最弱。方案B刚度集中在顶部和底部, 中间部分刚度较小, 这种刚度分布对抗扭有利, 所以方案B的抗扭周期小于方案A和方案C。方案D上下两个结构层作为翼缘、中间两榀纵向桁架作为双腹板的布置形式能为连体提供更大的抗扭刚度, 扭转周期最小, 抗扭性能好于前三种方案。

　　 当扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期接近时, 由于振动耦联的影响, 结构的扭转效应会明显增大, 所以应该控制结构的扭转周期比T_t/T₁, 使结构具有必要的抗扭刚度。四种方案都满足规范对扭转周期比的要求。方案A和方案D的T_t/T₁为0.78, 方案B为0.73, 方案B发生耦联振动的可能性最小。

　　 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2002) ^[2]要求, 楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz, 以保证结构具有适宜的舒适度。方案D竖向振动频率为3.7Hz, 舒适度符合规范要求。前三种方案连体竖向振动频率均小于3Hz, 还需进一步采取措施使之满足要求。从连体的竖向刚度及抗扭刚度来看, 方案D最好。

　　 从用钢量来看, 方案D最小, 用钢量为1 010t;方案A次之, 为1 210t;方案C为1 610t, 经济性能最差, 用钢量偏大。从经济角度考虑, 方案D优于其他三种方案。

　　 C, D座整体结构在各方案下的主要振型见表3。通过表3整体结构动力特性可知, 不同连体方案对整体结构刚度影响不大, 但前十阶振型中方案A、方案C均出现局部振型, 如图10所示。方案A第5阶振型参与质量系数为0.35%, 第8阶振型参与质量系数为0.03%;方案C第9阶也出现局部振型, 振型参与质量系数为0.02%。说明方案A, C整体性不好, 整体协调能力比较差, 方案B, D整体性能较好。

　　 同时, 由于方案B和方案C没有布置层间斜撑, 各楼层抗侧刚度变化不大, 沿高度方向不存在薄弱层。方案A和方案D由于布置层间斜撑, 在有斜撑的地方楼层刚度突变, 沿高度方向存在薄弱层。设计中应尽量使结构侧向刚度逐渐均匀变化, 避免薄弱层的出现。

　　 由于结构超长, 达210m左右, 温度应力不能忽略, 一方面采用相应的构造措施, 加强屋面及外墙保温;屋面板内增加预应力钢筋, 板上部配筋采用双向钢筋网;施工留后浇带以释放水泥水化热造成的应力;采用微膨胀混凝土。另一方面, 必须定量计算温度作用产生的内力, 并与其他荷载工况组合进行构件设计。根据福州市当地的情况, 结构初始温度取为15℃, 最高温度取为45℃, 最低温度取为-5℃, 即结构实际温度作用为升温30℃, 降温20℃。图11为温度作用下楼板的内力云图。

　　 从楼板在温度作用下的内力云图可以看出, 升温工况下, 屋顶连体部分为拉力, 其余部分为压力, 最大拉力为256kN/m, 最大压力为1 669kN/m, 出现在连体边缘的剪力墙上;降温工况下, 连体部分为压力, 其余为拉力, 最大拉力出现在靠近连体的剪力墙上。根据上述结果, 仅考虑温度作用时, 板配筋达到853mm²/m (HRB335钢筋) 即可满足要求, 若按双层配筋计算, 实际温度配筋为■10@150。从上述内力分布规律也可以看出, 被剪力墙约束的部位及边缘的部位由于累积作用, 温度引起的内力较大, 应加强配筋。

　　 (1) 刚性连接的连体不仅需要承受自身荷载, 满足建筑所需使用功能, 还应具有较大的整体刚度以协调两侧塔楼整体变形。连体设计同时还需考虑建筑外观、材料用量、施工便捷性等因素, 连体的选型与设计是对诸多要素综合考虑的过程。

　　 (2) 连体设计应做到传力路径清晰, 连体传力路径含混不清不便于连体设计。

　　 (3) 本工程通过对四种连体方案的对比, 提出“巨型双腹板H形截面构件”的概念, 解决了连体刚度、抗扭转、强度、可实现性等多方面的问题, 为相似大跨连体工程提供参考。