成都绿地航校8#地块项目位于成都市武侯区二环路南一段与科华中路交汇处,6号楼由两栋117m高的超高层剪力墙住宅,及顶部17m高的天际连体别墅组成(图1),这种功能组合的连体建筑为国内首例。

　　 6号楼建筑面积约为66 289m²。地下2层,地上1～3层为商业和住宅混合层,4～39层为住宅,40层为桁架转换连体,41,42层为天际别墅。主体塔楼屋面高度为117m,天际别墅区屋面高度为134.55m,最高点楼梯间小屋面高度为137.35m。6号楼主塔楼由完全对称的塔1和塔2组成,两塔之间成116°夹角,整体平面形状成狭长的L形,天际别墅平面总长度达到120m。6号楼建筑剖面及典型楼层建筑平面图分别见图2,3。

　　 与通常的连体建筑相比,本项目有如下几个难点:1)两栋塔楼为标准的剪力墙住宅平面,剪力墙厚200mm,没有连体结构中常见的大刚度剪力墙筒体或巨型柱来支承连体桁架;2)天际别墅户型与塔楼住宅户型完全不相关,除中心电梯筒外,没有任何竖向构件可以和塔楼剪力墙对齐,90%的天际别墅竖向构件都需要转换。这与连体结构设计中,要求连体在塔楼投影区范围内的竖向构件尽量落地的原则相违背;3)两栋塔楼间成116°的夹角,意味着连体桁架将发生转折,且由于两栋塔楼的运动方向不同,地震作用下整个结构会发生明显的扭转;4)天际别墅平面轮廓较塔楼外扩5～10m,且建筑设计要求主塔楼与天际别墅之间要有一个明显的架空收退效果以形成立面分隔。这造成连体的平面尺寸和质量都较下部塔楼大幅增大,形成“头重脚轻”的形态,对抗震非常不利。

　　 连体结构的选型,通常可归结为3种方案,两端刚性、两端柔性以及一端刚性一端柔性,见图4。

　　 对本项目而言,天际别墅平面尺寸很大且“头重脚轻”,如果采用一端刚性一端柔性的方案,刚性连接端的塔楼会发生剧烈的扭转,因此首先排除此方案。两端刚性连接方案是目前国内连体结构采用的主流方案,但本项目由于下部住宅塔楼的剪力墙厚度只有200mm,完全无法嵌固连体桁架,且塔楼只有中间的小电梯筒能上至天际别墅,无法为连体桁架提供足够的支点,因此简单试算后也被排除。从常规思路判断,似乎只有两端柔性连接的方案是可行的。

　　 两端柔性连接的连体结构,通常采用高位隔震方案(图5)。但试算结果表明,隔震体系放在地面时效果很好,但放在塔楼屋面时,减震效果很不明显。出现这一现象的原因在于本工程顶部连体质量占结构总质量的1/10左右,采用隔震垫后并不会形成通常的隔震结构(上部质量占总质量的2/3左右),而是变为类似TMD的谐振结构(图6),因此减震效果不明显,且对振体的刚度和质量还需精细控制以避开主结构自振频率,难度较大。

　　 此外,建筑功能要求电梯需从首层直通至天际别墅层,中间不能转换,但隔震结构要求从塔楼直上的电梯与天际别墅脱开独立支承,大震下也不能发生接触,这意味着天际别墅区电梯井尺寸要扩大2m以上,建筑布置难以接受。因此,完全柔性连接的高位隔震结构体系也被排除。

　　 在对通常的连体结构方案进行逐个排除的过程中,逐渐明确了本结构连体方案所需具备的特点:1)墙厚只有200mm难以嵌固转换桁架,不能实现完全刚性连接,扭转效应造成的地震剪力也过大;2)不能完全柔性连接,天际别墅的水平运动方向需要和主塔楼保持一致,不能脱离主塔楼自由振动。因此,设计中创新性地提出了半刚性连体方案,如图7所示。在塔楼顶部通过“3.8m高钢支撑筒层+阻尼器+4m高连体转换桁架层+1.65m高架空层”形成的9.45m高半刚性连体桁架体系,协调两栋塔楼间的相对变形以正好满足上述两个原则。

　　 沿高度方向的半刚性连接主要通过钢支撑筒和阻尼器来实现,在每栋塔楼周边布置了6个钢支撑筒来支撑转换桁架(图8),中间电梯筒周边则设置了阻尼器(图9),通过调节钢支撑筒斜撑的截面和阻尼器的大小来实现较为理想的半刚性效果。

　　 沿平面方向的半刚性连接主要通过转换桁架的平面内变形来实现,每三榀转换桁架形成三角形不变体,保持各自区域的侧向稳定,而三角形之间的区域是可以变形的,形成“半刚性”平面(图10),设计中通过调整这些可变形区域的水平斜撑布置和数量来实现较为理想的半刚性平面效果。为了削弱转换桁架的平面刚度,转换桁架的上下弦有意不设混凝土板,而是在转换桁架上架设一个1.65m高架空层作为别墅首层,别墅采用钢框架结构,别墅的钢结构柱也都在这个架空层平面上转换(图11),同时解决了别墅竖向构件与住宅剪力墙不对应的问题。

　　 通过2.3节的方法,连体部分刚度既能满足规范的位移限值,又不会由于刚度过大而将两栋塔楼锁死在一起。半刚性方案的前两个振型都是纯平动,既没有出现前述刚性连接方案的第1周期扭转,也没有出现柔性连接方案连体部分与主塔楼运动不同步的现象,如图12所示。第3阶振型为两塔相对运动,带有一定扭转,但主要成分仍是平动,相比刚性连接方案的扭转成分要小很多。第5,6阶振型则为两塔各自的扭转振型。

　　 半刚性连体将其对主体结构的影响减到最小,连体结构整体指标与单塔结构非常接近,见表1,表中单塔结构仍带有天际别墅,连体结构的荷载已均摊在别墅各层楼面。由于顶部转换桁架的存在,层间位移角曲线在顶部有明显的收进,但单塔结构和连体结构的收进程度基本一致(图13),表明连体结构并没有加剧顶部的刚度突变。斜交连体也没有对结构的扭转位移比造成影响,全楼扭转位移比均小于1.2。结构除超高外,仅有“连体+转换层”一项不规则,对这样一栋特殊体型连体结构是非常罕见的。

　　 无论弹性还是弹塑性分析都表明连体楼板损伤非常轻微(图14),几乎无需进行配筋加强,说明通过连体层楼板传递的地震力很少。与刚性方案相比,半刚性连接方案下桁架轴力减小约70%,小震下桁架轴力仅为恒载工况下的1/4,连体桁架由重力荷载控制,而不是由地震荷载控制。由于连体桁架吸收的地震作用很小,设计中直接采用小震下的桁架截面即可通过大震验算,相比刚性连接方案节省钢材一半以上(表2)。

　　 对于这种特殊的半刚性连体结构,其顶部结构体系与塔楼差异很大,为避免计算中对高阶振型和复杂运动的考虑不足,设计中采用了整体模型、连体独立体模型、整体强制位移模型3种计算方式进行包络设计,其中阻尼体系采用可分别考虑钢与混凝土贡献的应变能阻尼体系。整体模型采用常规方法进行计算;连体独立体模型将钢支撑筒及其以上部分独立出来,根据整体模型弹性时程分析得到的塔楼屋面加速度值,将连体独立体模型的地震影响系数按地面的1.3倍输入,即反应谱放大1.3倍;整体强制位移模型(图15)则用来考察两塔楼相向运动对连体结构的影响,按照最不利情况,连体结构的右塔保持不动,左塔混凝土屋面强制位移600mm(相当于层间位移角1/190,是大震弹塑性分析得到的塔楼最大层间位移角,实际两塔相对位移远小于此数值)。从计算结果来看,绝大部分连体桁架应力比由整体模型的竖向荷载工况控制,连体独立体模型完全不起控制作用,有少量桁架腹杆和水平斜撑应力比由强制位移模型控制。

　　 结构的各项计算和性能设计都是在不考虑阻尼器的情况下完成的,设计中将阻尼器作为安全储备使用。为了使阻尼器充分发挥耗能能力,设计中考虑了3种阻尼器的布置方案,包括沿中心电梯筒竖向布置、在转换桁架与电梯筒间横向布置、沿支撑筒竖向布置等,见图16。经分析,最终选择了沿中心电梯筒竖向布置的方案,其变形长度达到13m,可充分利用半刚性连体结构变形能力。结构总共仅采用了8个100t级黏滞阻尼器(阻尼指数0.2),大震下连体层减震率可达到20%,层平均减震率可达到5%(表3),阻尼器耗能达到结构总输入能的3%,具有很高的效率。阻尼器滞回曲线非常饱满,大震下阻尼力可达到900kN。考虑阻尼器后,别墅区结构Y向层间位移角减小幅度可达到18%(图17)。

　　 本工程针对“头重脚轻”的建筑外形和具有下住宅上别墅建筑功能的结构,创新性地采用半刚性连体结构方案解决了建筑与结构的诸多矛盾,变不利为有利,充分利用钢结构的变形能力,达到了连体刚度和变形按需调整的较理想状态。这一新型结构体系避免了连体结构刚度和地震力偏大、桁架嵌固困难、构件截面抗震设计困难等难题,抗震性能优异,用钢量较传统刚性连体节省一半以上,且基本不需后期维护,值得今后在类似项目上进一步研究推广。