中冶口岸大厦位于珠海市横琴新区,地下4层,地上2栋塔楼通过连体相连,塔楼底部包含3层裙楼,主要功能为商业。高塔为41层办公和公寓楼,结构高度为160.0m,低塔为23层办公楼,结构高度为99.9m;高低塔幕墙顶标高分别为165.0,104.9m。高低塔在16～19层之间设置4层连体,连体最大跨度约为36m。本项目的三维效果图见图1。

　　 一般而言,当连体位于结构顶部或底部且塔楼的体型和周期较为接近时,刚性连体需要传递的内力最小。本项目为高低塔刚性连体结构,连体在高塔的中间位置,且两塔主轴方向不一致,塔楼之间的内力需要通过连体楼层协调传递。因此方案阶段采用高低塔楼的简化计算模型,以分析和总结塔楼间连体的传力规律。计算模型中两塔楼层高及总高度与实际工程一致,中间连体为4层(与实际工程等效),连体采用大跨钢梁,跨度为36m。

　　 图2为多塔结构和连体结构的简化计算模型,以此模型为基础,分析对比高低塔连体受力规律。

　　 表1为多塔模型和连体模型振型分析对比。由表1可知:1)与多塔模型相比,连体模型X向结构周期变小、结构变刚,连体模型Y向的结构周期变化不大;2)连体模型出现多种复杂的振型,一个塔楼的平动振型时常伴随着另一个塔楼的扭转,前几阶周期均为复杂的振型,所以高低塔楼间通过连体相互影响并传递地震力。

　　 为了反映连体对结构的影响,采用时程分析法,分析连体主轴方向的位移和受力。改变低塔刚度,建立6种不同的模型:1)模型1为多塔模型;2)模型2为连体模型;3)模型3为连体模型,其中低塔墙柱刚度折减系数取0.2;4)模型4为连体模型,其中高低塔自振周期一致(低塔墙柱刚度折减系数取0.4);5)模型5为连体模型,其中低塔墙柱刚度系数取1.3;6)模型6为连体模型,其中低塔墙柱刚度系数取1.6。

　　 图3为各模型层间剪力对比。由图3可见:1)所有塔楼的层间剪力在连体层都发生明显突变,说明高低塔之间的内力通过连体进行传递。2)随着低塔刚度的增加,连体层上部楼层的层间剪力不断增大,连体层下部楼层的层间剪力变化趋势则相反;低塔的层间剪力随着低塔刚度的增加而增加,高塔位于连体下部楼层的层间剪力随着低塔刚度的增加而减少。3)由于连体的存在,位于连体上部楼层的高塔层间剪力急剧减小、低塔层间剪力急剧增加,而位于连体下部楼层的高低塔层间剪力变化趋势则相反;表明高塔在连体顶层(19层)通过楼板将内力传递给低塔,而低塔在连体底层(16层)通过楼板将一部分内力又传递给高塔。

　　 为进一步研究连体楼层受力的传递规律,采用截面切割,提取模型2中连体各层中间楼板的轴力变化,见图4,5。由图可知,1)连体的顶层和底层需要传递较大的内力;2)连体的中间楼层内力很小、基本不传递内力;3)连体的顶层和底层在同一时刻,内力方向相反,说明高塔在连体上部将内力传递给低塔的同时,低塔亦在连体的下部将内力传回给高塔;4)连体楼层的受力分布基本为一条直线。

　　 因此,连体设计必须考虑连体各楼层的内力变化,对连体的底层和顶层楼板需加强设计,保证内力的有效传递。同时,采用合理的高低塔刚度匹配,重点研究连体楼层间竖向构件内力变化和设计,保证高低塔在连体楼层层间剪力的有效传递。

　　 图6为主轴不一致的连体模型,将高塔按主轴方向旋转45°与低塔相连。主轴不一致连体兼具主轴一致连体的特征,其振型和受力更加复杂。

　　 采用时程分析法进行X和Y向的地震输入,提取主轴一致的连体简化模型与主轴不一致的连体简化模型19层楼板轴力及剪力云图,见图7。主轴一致的连体简化模型与主轴不一致的连体简化模型在X向地震作用下19层楼板的轴力和剪力时程曲线见图8。

　　 由图7,8可知:1)当地震输入方向与连体的主轴方向一致时,连体传递的内力最大,其他方向情况连体传递的内力相对较小。2)Y向地震作用时,连体需要传递一定的剪力,楼板设计需要考虑抗剪,必要时配置抗剪钢筋。由于Y向地震输入产生的内力远小于X向地震输入,故文中仅列出X向地震输入结果。3)在连体主轴方向的地震作用下,主轴不一致连体模型传递的轴力呈现不均匀分布,楼板的加强区域需要根据内力分布进行配筋。

　　 本工程建筑方案的连体体量和连体楼层数量可以基本满足结构连体的设计要求;同时,考虑到建筑幕墙的连续性及立面造型效果(图9),如果采用柔性结构连接,则需要在幕墙外立面设置较宽的结构缝,弧形幕墙的平滑连续效果将难以保证。基于以述原因,采用刚性连体作为本项目结构连体方案。

　　 协调考虑连体区域建筑专业、机电专业、幕墙专业的设计要求,结构采用底部桁架支承的刚性连体方案,见图10。

　　 本工程采用大底盘、高低塔刚性连体的结构方案,除高度超限外,还存在扭转不规则、尺寸突变、竖向构件不连续及穿层柱等4项不规则项,同时本工程位于珠海横琴,常年受台风影响,基本风压较大,按建筑方案进行风洞试验,以风洞试验结果作为结构计算的设计依据。

　　 本工程高低塔为钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系,典型楼层层高为3.5,3.8,4.8m,结构平面图见图11。竖向构件混凝土强度等级由高到低从C60过渡为C50。连体区域大跨度采用钢桁架框架结构。剪力墙厚度由底部700mm变成顶部300mm,高塔低区(1～16层)柱截面为SRC(型钢混凝土)1 000×2 400,中区(17～22层)最小混凝土柱截面为900×2 000,高区(23～41层)最小混凝土柱截面为500×2 000,典型外框梁截面为800×900;低塔低区(1～4层)柱截面为SRC1 300×1 600,中区(5～17层)最小混凝土柱截面为1 300×1 300,高区(18～23层)最小混凝土柱截面为600×1 000,典型外框梁截面为600×900。

　　 本工程位于7度区,场地类别为Ⅲ类,设计地震分组为一组,抗震设防类别为标准设防类;50年基本风压为0.85kPa,高低塔的性能目标为C级^[1,2]。考虑本工程连体的复杂性和重要性,超限设计阶段对与连体层相连的竖向构件,抗震等级提高到特一级;对于连体层及连体上下层的剪力墙性能目标提高到大震不屈服,并采用以下多项措施保证塔楼的可靠性:1)采用多种弹性及弹塑性软件分析对比;2)连体区采用多种楼板的分析假定进行包络,例如刚性隔板假定、弹性楼板和楼板面内刚度为0的假定来保证连体区构件性能;弹塑性分析采用混凝土损伤本构的楼板,楼板的正应力按计算应力设计,剪应力按规范^[1,2,3]条文进行设计;3)进行反应谱分析的同时采用时程分析进行包络设计;4)单塔结构及连体结构的各项指标均应满足规范^[1,2]设计要求;5)由于本工程体型复杂,竖向构件主轴方向较多,因此每隔15°进行地震输入,以保证斜交构件的安全性;6)连体区弹性设计时考虑竖向地震作用的影响,小、中震设计采用规范简化方法考虑,大震采用考虑竖向地震的弹塑性时程分析;7)在墙肢受拉区域埋置型钢;8)对于复杂的节点单独进行有限元分析;9)连体钢桁架及楼板设计考虑温度影响;10)连体区连体桁架、水平支撑定义,连体桁架相连柱及节点,需要满足中震弹性、大震抗剪不屈服的性能目标;11)连体区及上下层剪力墙满足中震抗弯弹性、抗剪不屈服、大震等效弹性、抗剪不屈服的性能目标;连体区楼板需要满足中震不屈服、大震轻度损坏的要求;12)连体区计算模型采用了多种计算假定及多个包络模型,例如连体区楼板计算模型包含刚性板模型、弹性板模型、平面内刚度为0的弹性板模型,以此类模型包络计算连体桁架。

　　 采用MIDAS和YJK软件对连体结构进行计算,采用YJK软件对单塔结构进行计算,周期及层间位移角计算结果见表2,3(层间位移角限值为1/630)。由表可知,连体结构较单塔结构的周期有所减小,与前述分析结论基本一致。

　　 图12为连体结构的前几阶振型的振动模态,由图可见,连体后结构振动模态复杂,振型出现组合效应。图13,14为连体结构的层间剪力与层间位移角曲线,由于连体的存在,连体层存在较大的内力突变。

　　 按照性能设计目标,进行塔楼等效弹性性能设计,对于连体层及其相连上下层(15～20层)剪力墙分布筋的配筋率提高到1.0%。

　　 中震作用下塔楼连体上下层楼板需要传递的地震力最大值见图15。

　　 考虑到本工程楼板应力分布,配筋采用分区(图16中1～4)加强的方式进行配置,进行不同程度的加强,其中1区板厚200mm,双层双向配筋,配筋率0.8%,且楼板内设置型钢,其他区域按实际应力进行配筋加强。

　　 图17为连体桁架的三维结构图,对连体桁架及相连柱进行分析,中震作用下连体桁架应力比满足要求,相连型钢柱配筋基本由构造控制,满足性能设计的要求。典型节点如图18所示。

　　 本工程在满足性能目标的前提下进行大震弹塑性时程分析。结构最大弹塑性层间位移角X向为1/108、Y向为1/119,满足规范^[1,2]要求。剪力墙混凝土受压轻微损伤,如图19所示,墙体边缘构件均未出现屈服,主要损伤集中在连梁,连体桁架及相连柱均未出现屈服(图20),满足性能设计要求。

　　 罕遇地震下连体各层的轴向拉压力时程曲线见图21。当16层桁架下弦内力和16层楼板组合后,其变化趋势与简化模型基本一致:连体上下层传递很大的轴力,中部楼层传递的轴力逐渐递减。故连体楼板设计时,综合考虑大震作用下楼板计算内力。连体区楼板在大震下的损伤见图22。

　　 考虑到连体施工的复杂性,为节约连体施工时间、简化施工步骤,采用连体桁架及上部钢构件先在裙房顶层组装、再整体吊装、原位提升施工方案,图23为连体桁架的提升过程图,现场实际施工效果良好。

　　 (1)高低塔楼通过连体相连时,连体的连接方式需综合考虑塔楼相对建筑体量、建筑立面效果、整体经济性等多种指标,以最终确定结构的连体方案。

　　 (2)高低塔楼相连时,最上层连体及最下层连体楼板传递的内力相对最大,楼板内力应包络设计。

　　 (3)主轴不一致连体结构需要考虑多方向地震作用,结构构件应按包络内力进行配筋设计。

　　 (4)采用多种计算软件进行分析,确保结构的抗震性能满足性能目标的要求。

　　 (5)高低塔楼采用连体连接时,由于其协同振动会产生复杂的振型,需要弹性阶段取足够的计算振型来满足内力设计的要求。最终采用CQC和弹性、弹塑性时程的分析结果进行包络设计。

　　 (6)大震下连体结构损伤较小,塔楼剪力墙基本为连梁损伤,结构破坏模式合理,连体内力分布与简化模型的结论基本一致。

　　 (7)采用整体吊装的方案可节约工期,取得良好的施工效果。