某复杂超限高层建筑的大跨连体结构设计
王爱和. 某复杂超限高层建筑的大跨连体结构设计[J]. 建筑结构，2021，48（20）：33-37.
WANG Aihe. Design on large-span conjoined structure of a complex over-limit high-rise building[J]. Building Structure，2021,48（20）：33-37.
本工程位于广西省柳州市北部生态新区，建筑面积6万m2。该工程属于复杂超限高层结构，建筑高度36m, 地上8层，地下1层，屋顶有格栅。地上各层层高均为4.5m。本工程6层至屋面层(共3层)为大跨度连体结构，连体跨度63m, 宽度27m, 建筑高度13.5m。连体部位建筑使用功能为办公、会议。项目建筑效果图如图1所示。
图1 建筑效果图
本工程建筑结构安全等级二级，结构重要性系数1.0,设计使用年限50年。抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度0.05g,抗震设防类别为标准设防类(丙类) [1]。建筑场地类别Ⅱ类，设计地震分组第一组，特征周期0.35s。基本风压0.30kN/m2,验算舒适度时采用风压0.20kN/m2,地面粗糙度类别B类。根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012),本地区不考虑雪荷载 [2]。
2 单塔楼与整体结构计算对比
连体结构为钢结构桁架，双侧塔楼为钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，结构平面柱网尺寸均为9m。
按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) [3]的要求，连体结构各独立部分宜有相同或相近的体型、平面布置和刚度。但本工程中两侧塔楼体型及刚度相差较大，且地震作用方向约有45°的夹角，在风荷载和地震作用下，若是采用常用的弱连接方式，很难协调两侧塔楼的整体变形及受力。故本工程采用连体结构与双侧塔楼刚性连接，且伸入塔楼一跨，此跨采用型钢混凝土结构，保证水平力的有效传递。连体平面、立面布置图分别如图2,3所示。
图2 连体平面示意图
图3 连体立面示意图
由于两侧塔楼体型相差较大，平面形状不对称。故先采用YJK对连体各独立部分进行拆分计算，各独立部分体型不相同、层数完全相同，周期及侧向刚度的计算结果对比分别见表 1和图4。
独立部分的周期对比 表1
指标 |
自振周期/s |
平动系数(X向+Y向) | ||||
T1 |
T2 | T3 | 第1阶 | 第2阶 | 第3阶 | |
独立 部分1 |
0.916 1 | 0.753 3 | 0.501 6 | 0.91(0.91+ 0.00) |
1.00(0.00+ 1.00) |
0.21(0.18+ 0.03) |
独立 部分2 |
1.319 5 | 1.094 9 | 0.847 6 | 0.74(0.67+ 0.07) |
0.81(0.27+ 0.54) |
0.47(0.07+ 0.40) |
图4 侧向刚度对比
单塔楼和整体结构主要计算结果对比见表2及图4。从表2及图4可看出，两侧塔楼周期、质量相差较大，在连体范围的层数(6层至屋面层)中，侧向刚度也有一些差距。由于独立部分2平面为斜向布置，与独立部分1有较大夹角，导致两侧塔楼地震作用方向有夹角。如采用滑动支座，会有如下问题：1)两侧塔楼很难协调变形；2)连体部位主要功能为办公和会议，并非走廊和通行功能，对舒适度和安全性要求很高。因此采用连体和两侧塔楼结构刚性连接的结构方案。
在施工加载顺序上，如采用分层组装的方式，对连体最底层结构的承载能力要求较高，不易于施工，故采用整体吊装的方式，计算模型中考虑一次加载。
单塔楼与整体结构主要计算结果对比 表2
计算指标 |
整体结构 | 独立部分1 | 独立部分2 | ||
结构总质量/t (首层及以上) |
73 045.0 | 30 012.0 | 32 971.1 | ||
基底剪力/kN (首层) |
X向 |
11 145.05 | 4 526.28 | 3 627.70 | |
Y向 |
10 661.22 | 5 129.24 | 4 088.45 | ||
剪重比 |
X向 |
1.526% | 1.508% | 1.100% | |
Y向 |
1.460% | 1.709% | 1.240% | ||
最大层间 位移角 (出现楼层) |
地震 作用 |
X向 |
1/3 784(4层) | 1/3 573(3层) | 1/2 615(4层) |
Y向 |
1/3 498(7层) | 1/3 598(8层) | 1/3 815(4层) | ||
风荷载 作用 |
X向 |
1/9 999(6层) | 1/9 999(4层) | 1/7 322(4层) | |
Y向 |
1/8 235 (10层) | 1/9 999(7层) | 1/9 999(4层) | ||
地震最大位移与平均 位移比值(出现楼层) |
X向 |
1.15(6层) | 1.37(8层) | 1.37(8层) | |
Y向 |
1.46(4层) | 1.76(2层) | 1.51(3层) | ||
最大位移比对应 位移/mm |
X向 |
1.15 | 0.90 | 1.19 | |
Y向 |
1.11 | 1.39 | 1.85 | ||
自振周期/s |
T1 |
0.999 4 | 0.916 1 | 1.319 5 | |
T2 |
0.920 9 | 0.753 3 | 1.094 9 | ||
T3 |
0.768 8 | 0.501 6 | 0.847 6 | ||
平动系数(X向+Y向) |
第1阶 |
0.92(0.00+0.92) | 0.92(0.91+0.00) | 0.74(0.67+0.07) | |
第2阶 |
1.00(1.00+0.00) | 1.00(0.00+1.00) | 0.81(0.27+0.54) | ||
第3阶 |
0.09(0.00+0.09) | 0.21(0.18+0.03) | 0.47(0.07+0.40) | ||
扭转系数 |
第1阶 |
0.08 | 0.08 | 0.26 | |
第2阶 |
0.00 | 0.00 | 0.19 | ||
第3阶 |
0.91 | 0.79 | 0.53 | ||
第1阶扭转与平动周期比 |
0.77 | 0.55 | 0.64 | ||
底层框架的地震 倾覆力矩百分比 |
X向 |
31.8% | 42.3% | 49.2% | |
Y向 |
33.4% | 39.7% | 31.3% | ||
3 连体结构设计
3.1 连体方案
针对本工程建筑使用要求及结构特点，连体方案确定时先考虑桁架榀数，考虑两种连体方案，一种为设置最外侧两榀桁架，另外一种为连体纵向轴线设置四榀桁架。前者优点在于横向范围内无结构构件，对建筑功能影响最小，缺点在于次梁跨度较大(27m),构件截面过大，建筑层高仅为4.5m, 次梁梁高过高对建筑净高有较大影响，且结构安全度较低。后者优点在于结构冗余度高，桁架截面及次梁截面相对较小，对建筑净高有利，缺点在于中间两榀桁架对建筑功能会有一定影响。综合考虑，选取后者作为结构方案，建立力学模型，进行对比计算。
连体纵向轴线设置四榀桁架的方案一为四榀桁架方案，构件布置见图5。连体结构为纵向四榀桁架，与塔楼刚接，中间榀桁架位置有斜腹杆，对建筑布局上有一些影响。方案二为外侧两榀桁架+中间空腹桁架方案，构件布置见图6。连体结构为纵向外侧两榀桁架+内侧空腹桁架，与塔楼刚接，中间榀桁架无斜腹杆，建筑功能布局上较为灵活。
图5 连体方案一桁架示意图
图6 连体方案二中间空腹桁架示意图
图7 小震作用下中间榀桁架强度应力比
图8 不考虑楼板作用时中间榀桁架强度应力比
方案一的主要受力构件为中间两榀桁架，故中间两榀桁架构件的截面作为应力比控制截面。中间两榀桁架支座附近构件内力最大，弦杆端弯矩537kN·m, 斜腹杆轴力10 944kN,应力比最大值为0.84。方案二的主要受力构件为中间空腹桁架，支座处弦杆端弯矩1 120kN·m, 竖杆应力比最大值1.0。
表 3为两个方案的构件主要截面。从表3可以看出，采用空腹桁架的方案二的构件截面尺寸较大。
两个方案的构件截面对比/mm 表3
构件类型 |
方案一 | 方案二 |
弦杆 |
□500×500×32×32 | □700×1 500×40×40 |
竖杆 |
□300×500×18×18 | □1 100×1 100×50×50 |
斜腹杆 |
□500×500×32×32(支座附近)、 □300×500×18×18(中间位置) |
— |
方案一中的桁架边跨挠度为38mm, 中间跨挠度为48mm; 方案二中的桁架边跨挠度为40mm, 中间跨挠度为74mm。方案一的桁架竖向刚度较大，边跨和中间跨挠度相差较小。与方案一相比，方案二的中间为空腹桁架，因此整体竖向刚度较小，且边跨的竖向刚度与中间跨的竖向刚度有较大的差距。
综合以上考虑，方案二的构件尺寸影响建筑净高，且整体刚度差，因此最终选择方案一作为连体方案，中间桁架设置为建筑走廊隔墙，削弱对建筑功能的影响。
3.2 连体结构计算
考虑竖向地震作用，对连体结构进行计算分析。
3.2.1 小震作用分析
为保证连体与两侧塔楼更好连接，连体桁架弦杆通长贯通深入两侧塔楼结构内，保证水平力及竖向荷载的可靠传递。
小震作用下，连体结构中间榀桁架的强度应力比见图7。由图7可得，应力比最大值为0.80,位于支座腹杆处。当不考虑楼板作用时，连体结构中间榀桁架的强度应力比见图8。由图8可得，应力比最大值为0.95,位于支座腹杆处。
3.2.2 大震作用下动力弹塑性时程分析
本工程属于复杂超限高层建筑，为实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震目标，采用基于性能的抗震设计方法，综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度，设定本工程结构体系各部分的抗震性能目标为C级。大跨度连体结构的桁架支座柱、连体桁架设定为关键构件，性能指标为中震弹性，大震不屈服。
在进行大震作用下的弹塑性时程分析之前，首先利用YJK进行了模型的静力和模态分析，利用SAUSAGE进行了施工模拟和模态分析，用来校核模型从YJK转换到SAUSAGE的准确程度。按建筑场地类别和设计地震分组选用两组实际地震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，在罕遇地震作用下峰值加速度取125gal。
在大震作用下，连体两侧塔楼的大部分墙体无受压损伤，部分连梁附近的墙体出现受压损伤，损伤因子主要在0.1左右。部分墙体出现受拉损伤，损伤因子最大值为0.4。墙体纵筋、水平筋均未出现塑性应变。连体两侧柱子均采用型钢混凝土柱，在大震作用下，大部分型钢柱无受压损伤，极少数柱出现受压损伤，损伤因子主要在0.1左右。绝大部分屋面位置，及少部分柱底位置出现混凝土受拉损伤。与桁架相连柱中钢骨和钢筋均未进入屈服。
大震作用下，楼板整体受压损伤较小，损伤多位于连体和塔楼连接处附近。楼板钢筋未进入屈服，因此不影响剪力的传递。连体结构桁架的钢结构构件未出现塑性应变。
3.3 连体楼板应力分析
按中震不屈服计算，对于典型复杂楼板进行恒载+活载工况下应力分析，6层和屋面层楼板的应力图分别见图9,10。由图9,10可以看出，由于连体结构的大跨度桁架在恒载+活载作用下的整体变形，导致6层楼板在跨中位置的拉应力较大(11MPa),屋面层楼板支座位置的拉应力较大(7MPa)。基于此考虑，可在连体钢结构整体吊装连接完成后，进行楼板混凝土浇筑时，在连体大跨桁架两端各设置一道施工后浇带，释放支座处约束作用，设置后浇带后6层楼板应力结果如图11所示。从图11可得，在设置施工后浇带后，在中震及活载作用下，连体楼板拉应力较小，基本在2.0MPa以下，与连体相连的剪力墙附近出现局部应力集中，达到4.0MPa左右。施工图阶段对于应力较高部位，通过提高此处楼板配筋等措施来解决楼板受拉问题。
图9 6层楼板X向板底 应力图/MPa
图10 屋面层楼板X向板底 应力图/MPa
图11 设置后浇带后的6层楼板 X向板底应力图/MPa
图12 升温时6层楼板X向温度应力/MPa
图13 降温时6层楼板X向温度应力/MPa
3.4 连体楼板温度应力分析
根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012),广西地区基本气温为：最高温度36℃,最低温度3℃,夏季室内外温差10℃,冬季室内外温差10℃。因此确定施工合拢温度为10～25℃,保证在一年中的大部分时间均可合拢，具备施工可行性。基于此，确定结构的最高温度为36-10=26℃,最低温度为3+10=13℃,结构最大温升为26-10=16℃,最大温降为13-25=-12℃,升温、降温时楼板温度应力分别见图12,13。
从图12,13可得，温度导致楼板产生拉压应力(X,Y两个方向),在升温、降温时，绝大部分拉压应力在-1.0～1.0MPa之间，极少数部位产生了应力集中达到1.6MPa。在降温时，楼板产生拉应力均较小，主要表现为压应力。大部分楼板应力均小于《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版) [4]中的C30混凝土的抗拉强度设计值1.43MPa。
针对温度应力的问题，采取的减少温度应力的结构设计措施如下：1)设置温度后浇带，间距30～40m, 释放早期混凝土的收缩应力；2)在重点部位楼板增加通长钢筋，在梁增加上部通长钢筋及梁侧腰筋，适当提高配筋率，连体结构两端柱加大配筋；3)结合建筑做法采用外包墙、加大屋面保温层厚度做好保温隔热措施，保证在使用阶段主体结构处于恒温状态，减小使用阶段温度应力；4)在楼板开洞四周增强配筋。
3.5 楼板舒适度分析
采用0.5m网格尺寸对连体楼板进行细分，对楼板自振频率进行验算。楼板第一阶模态竖向自振频率为2.131 5Hz, 小于《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)及《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)中限值3Hz要求，需进行竖向振动加速度峰值验算。
验算时考虑如图14中虚线所示的两种步行方式 [5],按照步速1m/s施加时程步行荷载，两种工况下楼板的峰值加速度分别为0.059 1m/s2和0.067 5m/s2,均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)中限值0.215m/s2要求，目前的楼盖设计满足舒适度要求。
图14 舒适度验算步行方式布置示意图
3.6 连体部位构造措施
针对大跨度连体结构，采取了一些构造措施加强结构的整体性，主要包括以下措施：1)连体结构与塔楼采用刚性连接 [6],连体结构伸入主体结构一跨；2)连体部位及两侧塔楼两跨范围内楼板厚度150mm, 采用双层双向钢筋网，每层每个方向钢筋网的配筋率不宜小于0.30%;3) 连体部位边梁截面加大；4) 在连体高度范围及其上、下层，连体及与连体相连的结构构件抗震等级提高，框架、剪力墙抗震等级均提高至二级；5) 与连体相连的框架柱采用型钢混凝土柱，箍筋全段加密，轴压比限值降低了0.05;6) 与连体相连的剪力墙在连体高度范围及其上、下层设置约束边缘构件 [7]。
4 结语
本工程为高位连体复杂超限结构，通过和建筑专业的充分沟通，结合建筑需求确定合理的结构体系，并对体系中受力复杂的区域进行详细的分析计算、性能化设计，达到预期的性能目标，从而保证整个结构体系合理。在该复杂超限高层的连体设计中，进行了单塔计算分析、连体楼板应力分析、楼板舒适度设计、温度应力分析等多个计算，采用对应的加强措施对薄弱部位进行加强，确保结构满足抗震设防目标，为类似工程提供参考。
[2] 建筑结构荷载规范：GB 50009—2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[3] 高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
[4] 混凝土结构设计规范：GB 50010—2010[S].2015年版.北京：中国建筑工业出版社，2015.
[5] 徐培福，傅学怡，王翠坤，等.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[6] 沈蒲生.多塔与连体高层结构设计与施工[M].北京：机械工业出版社，2009.
[7] 陈飞，李中军，张金库，等.某不对称双塔连体结构设计[J].建筑结构，2017,47(24):6-10.