某超高层剪力墙住宅项目, 地上48层, 地下2层, 建筑总高度为148m (B级高层) , 建筑立面效果图见图1, 连体层建筑平面见图2。该住宅项目为两栋对称的剪力墙结构, 在41~45层设置连接体, 形成剪力墙高位连体结构。本工程抗震设防类别为标准设防类 (丙类) , 抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度为0.1g, 设计地震分组为第一组;场地类别为Ⅱ类。风荷载按50年一遇为w₀=0.35k N/m², 舒适度验算时可按10年一遇风压取值0.25k N/m², 地面粗糙度为C类, 风荷载体型系数为1.4。剪力墙抗震等级为一级, 连接体范围及其上、下层剪力墙、框架柱、连梁抗震等级为特一级。

　　 图1 建筑立面效果图

　　 采用钢筋混凝土连接体的缺点和采用钢结构连接体的优点分别为:1) 钢筋混凝土连接体自重大, 桁架整体受力, 连接体底层模板受力大, 高空支模难度高;2) 钢结构连接体自重小, 连接体底层桁架在地面拼装完成后, 采用整层吊装, 安装完成后再施工连接体的其余几层, 施工难度低。

　　 分别按钢筋混凝土连接体和钢结构连接体建立模型, 计算结构的主要参数, 结果对比见表1, 可见连接体材料对结构整体的计算结果影响不大。

　　 连接体与塔楼的连接形式一般可分为两类:刚性连接与柔性连接。柔性连接, 连接体受力较小, 对塔楼影响小;刚性连接, 连接体受力复杂, 两侧塔楼需协调变形及受力^[1]。

　　 如果本项目连接体与塔楼采用柔性连接, 滑动支座的变形需要大于等于塔楼罕遇地震作用下的2倍位移要求^[2]。经过计算, 滑动支座变形需达到1.14m方可满足连接体部位的位移要求, 而常规支座的变形难以满足。

　　 连接体跨度一侧为23.8m, 一侧为17.6m, 与塔楼X向夹角为26°, 共5层。结合该项目的结构特点及施工可行性, 塔楼之间的连接体最终选用钢结构刚性连接的形式。根据建筑使用功能, 连接体底层作为桁架转换层, 设置直腹杆及斜腹杆。连接体桁架转换层以上为单榀框架, 在中间榀增加斜腹杆 (图3) , 以协调两侧框架变形。通过计算对比, 该斜腹杆承担了部分地震作用, 减小了中间榀桁架方向框架梁、柱的内力, 该榀框架梁、柱的应力比下降了30%以上, 相邻榀框架梁、柱的应力比下降了10%左右。而由于连接体位移主要受塔楼刚度影响, 中间榀斜腹杆对位移影响较小。连接体结构立面图如图3所示, 连接体主要截面:上、下弦杆截面为H800×400×20×25, 直腹杆、斜腹杆截面为H400×400×20×25, 连接体结构两侧设1 000×1 000的型钢混凝土柱, 柱内型钢截面为H700×500×30×35;塔楼剪力墙厚度:3层及以下为400mm, 4~25层为300mm, 26层以上为200mm。

　　 本工程除高度超限外, 尚存在刚度突变、竖向构件不连续、位移比超过1.2等三项不规则, 属特别不规则的超高层建筑^[3], 因而需要采用基于性能的设计方法进行结构设计。

　　 综合考虑建筑高度、规则性、抗震设防类别、设防烈度、场地条件等, 按《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[4] (简称高规) 第3.11条, 设定结构抗震性能目标为C级, 对结构关键构件的性能化设计要求详见表2。

　　 本工程为超限复杂高层建筑, 抗震计算分析时需考虑扭转耦联的结构扭转效应和竖向地震作用。小震弹性计算采用SATWE及YJK软件, 主要以前者为主, 后者作为验证。两种软件分析的主要结果基本一致 (表3) , 误差小于5%。结构周期合理, 并满足高规第3.4.5条中B级高度的高层建筑其扭转为主的第一自振周期T₃与平动为主的第一自振周期T₁之比不大于0.85的规定^[4]。

　　 采用MIDAS/Building软件进行动力弹塑性时程分析, 选取3组地震波, 包括2组天然波 (San Fernando波、Superstition Hills波) 与1组人工波 (40_RH4TG040波) 。地震波持续时间设定为30 s, 三向地震动峰值加速度比为1∶0.85∶0.65, 主峰值加速度取220gal。地震波谱与反应谱对比曲线见图4。

　　 结构在X, Y向的楼层最大位移曲线如图5所示, 可以看出在罕遇地震作用下, 除了屋顶钢构架部分外, X向最大位移为508mm, Y向最大位移为483mm。通过弹塑性层间位移角 (图6) , 可以看出X向层间位移角在41~45层连接体部位存在突变;Y向层间位移角未出现明显突变。X向层间位移角突变主要是由于连接体在X向提供了较大的侧向刚度。3组地震波作用下, 各楼层层间位移角均小于1/120限值, 屋顶钢构架层间位移角小于1/80限值, 满足规范要求。

　　 结构的基底剪力响应是判定结构整体性能的指标, 各罕遇地震工况下, 结构弹塑性最大基底剪力及其剪重比详见表4。

　　 相对于选取的2组天然波, 1组人工波作用下结构破坏最为严重, 主要针对人工波作用下结构的塑性损伤进行分析。

　　 从罕遇地震作用下剪力墙混凝土的剪切应变等级 (图7) 可以看出:上部结构 (35层及以上) 剪力墙混凝土的剪切应变等级绝大部分小于3级, 即未达到屈服剪应变, 因受两塔楼之间连接体的直接影响, 在靠近连接体附近的楼层有少量剪力墙剪切损伤较为严重;中部结构 (21~34层) 剪力墙混凝土的剪切应变等级绝大部分小于3级, 因受两塔楼之间连接体的辐射影响, 也存在较少量剪力墙剪切损伤较为严重的情况;下部结构 (1~20层) 剪力墙混凝土的剪切应变等级同样绝大部分小于3级, 有极少数剪力墙剪切损伤较为严重, 但结构底部加强区的剪力墙均未屈服。

　　 框架柱在罕遇地震作用 (人工波) 下第6s及25s时的屈服状态如图8所示, 可以看出框架柱在罕遇地震作用下基本保持弹性工作状态, 仅底层裙房处、两个塔楼连接体附近以及靠近结构顶部的部分框架柱发生开裂。

　　 在罕遇地震 (人工波) 作用下整体结构的框架梁及连梁屈服状态如图9所示, 由图可知, 连接体附近楼层的连梁最先出现塑性铰, 随后塔楼中间楼层的连梁也出现塑性铰, 随着损伤的累积, 底部加强区越来越多的连梁与框架梁也开始屈服, 到地震波输入10s时, 屈服基本稳定。

　　 由于连接体楼板是协调两侧塔楼变形的关键部位, 在地震作用下楼板会产生较大的内力。本工程采用MIDAS/Building进行楼板应力分析, 将连接体楼板设为弹性膜, 计算结果显示连接体底层楼板应力最大, 因该层为桁架转换层的底板, 主要对其应力进行分析, 按式 (1) 控制小震作用下楼板不开裂。计算结果显示, 小震作用下楼板最大应力为1.9MPa (图10) , 小于其抗拉强度标准值2.01MPa (混凝土强度等级为C30) , 表明小震作用下连接体楼板完好无损。

　　 式中:σ_小震为小震作用下楼板应力值;f_tk为楼板混凝土抗拉强度标准值。

　　 中震作用下, 以水平钢筋的抗拉强度设计值作为连接体楼板承载能力的指标 (式 (2) ) ^[5]。计算显示中震作用下楼板最大应力为4.5MPa (图11) , 主要集中在连接体与塔楼相连部位。连接体楼板厚度为150mm, 实配双层双向14@150钢筋, 承载力抗震调整系数取0.85, 计算得到楼板抗拉承载力为5.79MPa, 大于楼板主拉应力值。

　　 式中:σ_中震为中震下楼板计算应力值;f_y为钢筋抗拉强度设计值;A_s为间距s范围内水平钢筋截面面积;γ_RE为抗震调整系数;h_s为楼板厚度。

　　 通过连接体楼板应力分析可知楼板在小震作用下能保持完好无损, 在中震作用下局部应力集中处, 连接体与塔楼相连部位的混凝土出现细微裂缝, 但连接体楼板抗拉强度设计值仍大于中震作用下楼板主拉应力。

　　 连接体与两侧塔楼相连的节点为整个结构的关键部位, 采用ANSYS软件对连接体节点进行详细分析。连接体桁架上、下弦杆与主体结构的钢骨混凝土柱连接节点详图如图12所示。

　　 对型钢梁腹板、节点板位于螺栓孔周边的节点位移进行耦合, 以模拟螺栓的作用, 在梁端施加荷载, 取大震作用下钢梁节点的设计弯矩M=1 119k N·m和设计剪力F=1 679k N。

　　 计算表明, 梁柱相连处钢梁最大应力为278MPa (图13) ;钢梁连接处除螺栓孔附近由于应力集中效应其应力较大外, 其余部分应力均较小 (图14) , 未发生屈服。

　　 连接体桁架上、下弦杆与主体结构的钢骨混凝土柱连接节点处混凝土应力较大, 发生开裂 (图15) 。钢筋应力较小, 均未超过屈服应力 (图16) 。

　　 通过对连接体与塔楼相连节点的有限元分析, 可以得到如下结论:1) 大震作用下混凝土节点区有局部开裂, 型钢最大应力未超过屈服应力, 节点区钢筋应力较小, 未发生屈服;2) 连接体桁架上、下弦杆与主体结构的钢骨混凝土柱连接节点安全可靠, 节点区不会先于连接体结构发生破坏, 能实现“强节点、弱构件”的设计理念。

　　 通过对该超高层剪力墙高位连体结构进行抗震分析, 得出以下结论:

　　 (1) 罕遇地震弹塑性时程分析表明, 刚性连接的连接体相关范围及其附近楼层受力较大, 此范围连梁最先出现塑性铰, 少量剪力墙塑性损伤较为严重。结构设计时, 应提高此范围及其上、下层的剪力墙、连梁及框架柱的抗震等级。

　　 (2) 为保证刚性连接的连接体水平力可靠传递, 将连接体相关范围及其上、下层楼板厚度增加至150mm;受建筑使用功能限制, 连接体底层桁架无法伸入塔楼内一跨, 本工程按上、下弦钢梁等强度计算与钢骨混凝土柱相连剪力墙水平配筋。

　　 (3) 连接体与塔楼的连接节点是保证结构安全的关键, 需采用精细化的有限元分析, 以满足罕遇地震作用下不屈服的性能目标。

　　 (4) 弹塑性时程分析计算表明, 钢结构连接体在罕遇地震作用下能够保持弹性工作状态, 说明针对该剪力墙高位连体结构, 连接体采用刚性连接切实可靠, 能满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计目标。