近些年,超高层建筑在我国发展迅速,由于建筑形态和使用功能的多重需求,多个塔楼经常在高空形成连体,这给设计和建造带来诸多技术挑战。国内典型的多塔连体案例如:南京金鹰天地广场 ^[1]、重庆来福士广场 ^[2]、金港大厦 ^[3]、温州中心 ^[4]、上海国际金融中心 ^[5]等,这些建筑尽管属于复杂连体结构,但各单塔结构相对规则,多采用传统框架-核心筒结构。宝安公共文化艺术中心 ^[6]是一种更复杂的三塔连体结构,不仅三个塔在不同高度刚性相连,而且存在多处大跨度悬挑,落地面积小,各单塔采用钢结构支撑筒体体系。这类结构的抗震性能、整体稳定问题都更为突出,在以往项目设计中并无成熟经验,有必要开展专项研究。

　　 宝安文化艺术中心位于深圳市,由博物馆、艺术馆、美术馆三馆组成。地上建筑共15层(含夹层),楼层高度为4.5～7.8m不等;地下3层,地下1层～地下3层的层高分别是7.0,4.2,3.9m。建筑平面投影尺寸为95.7m×87.0m,整个建筑支承在3个的独立的筒体上,3个筒体的平面尺寸均为26.1m×26.1m,结构高度由低到高分别为80.7m(艺术馆)、93.3m(美术馆)和99.6m(博物馆),筒体最大高宽比为3.82。每两个筒体之间在不同的标高处,由低到高按顺时针的方向通过连体两两相连。筒体M(支承博物馆的筒体)与筒体A(支承美术馆的筒体)在12.6～39.0m的高度外通过连体C1相连,连体的平面尺寸为52.2m×43.5m;筒体A与筒体G(支承艺术馆的筒体),在39.0～80.7m的高度通过连体C2相连,连体的平面尺寸为17.4m×31.9m;筒体G与筒体M在80.7～93.3m的高度处通过连体C3相连,连体的平面尺寸为34.8m×26.1m。建筑功能分区及各筒体之间连体示意图如图1,2所示。

　　 针对本项目落地结构面积小、体型复杂、存在连体和大悬挑的特点,结构体系采用“带悬挑体的钢结构支撑筒连体结构”的结构体系。整个结构主要由落地部分的钢结构支撑筒体及悬挑(连体)部分结构组成,钢结构支撑筒体主要由钢管混凝土柱、钢结构框架梁、钢结构中心支撑及相应的组合楼盖结构组成,悬挑(连体)部分主要由悬挑桁架、空腹桁架及相应组合楼盖结构组成,如图3所示。其中钢管混凝土柱主要采用矩形及L形截面,柱主要截面尺寸为800×800～1 600×1 600,框架梁采用H型钢,高度约600mm,中心支撑采用钢结构箱形截面,主要截面尺寸800×800(因构件厚度种类较多,不再给出,余同),悬挑桁架采用H型钢及钢结构箱形截面,桁架杆件主要截面尺寸800×1 000,钢材等级主要采用Q345GJ,Q390GJ。图4,5为结构典型平面、剖面示意图。

　　 本工程结构复杂,存在扭转不规则、楼板不连续、刚度与承载力突变、构件间断等多项超限,综合判断本工程超限主要为大跨度连体和超长悬挑引起的特别不规则。

　　 房屋倒塌、人员伤亡主要发生在大震和巨震烈度区,诸多专家学者对房屋在巨震作用下的抗震性能进行了探讨 ^[7,8,9,10]。本工程体型和结构复杂,类似工程案例少,在初步设计阶段,有必要对其进行不同烈度水平下的动力弹塑性时程分析,以论证其整体抗震性能。首先采用2组人工波(R21,R41)和5组天然波(L0781,L0196,T11,T21,T41),其中每次计算均输入X,Y,Z或者Y,X,Z三个方向的地震波,水平主、次方向及竖向地震波加速度峰值比为1.0∶0.85∶0.65。地震波的加速度峰值按照项目所在地区7度区加速度峰值220cm/s²选用。

　　 7度罕遇各组地震波作用下结构基底剪力见表1,弹塑性分析的7组地震波在X,Y两个主方向的平均基底剪力分别为87 421kN和88 769kN,对应的剪重比分别为8.92%和9.06%。相对弹性分析结果,考虑弹塑性刚度退化后,每组地震波作用下结构基底剪力均有一定程度的降低,弹塑性分析的平均基底剪力与弹性分析的平均基底剪力的比值在X,Y两个主方向分别为93%和92%,总体刚度退化程度较低。X,Y两个主方向的平均层间位移角分别为1/289和1/222(图6和表1),满足小于规范限值1/50的要求。

　　 从图7构件性能状态来看,7度罕遇地震下,型钢混凝土柱钢骨未进入塑性,所有钢柱、斜撑保持弹性。钢梁仅局部楼层局部位置出现塑性变形,发生轻度损坏,绝大多数钢梁未进入塑性。各层楼板受拉开裂明显,钢筋部分进入屈服,但塑性发展水平不高,楼板总体仍具有较好的承担竖向荷载和传递水平地震作用的能力。因此可认为主要抗侧力构件在7度罕遇地震下基本保持弹性。

　　 因7度罕遇地震下结构的整体性能良好,为进一步了解结构在巨震下的抗震性能,选择具有代表性的人工波R21为例,增大地震作用水平,验算8度和9度罕遇地震下结构的受力和位移,验算的结构基底剪力及顶点位移见表2。由表2可见,随着地震激励的增大,地震内力放大的倍数相应降低,说明结构的刚度逐渐退化,位移放大的倍数也出现了一定程度降低,但降低的程度小于内力响应,符合基本的概念判断。从构件性能水平(图8、图9)看,随着地震作用的增大,部分斜撑和竖向构件进入屈服。但总体性能依然较好,即便在9度罕遇地震水平下,总体结构仍具有较高的安全储备,倒塌风险较小。

　　 动力弹塑性分析的结果显示,在7度罕遇地震下主体结构基本保持在弹性。本章研究结构在水平荷载下的极限承载能力。首先对结构施加重力荷载代表值(1.0恒载+0.5活载),以此作为初始状态,然后分别在两个水平方向施加逐渐增大的按楼层分布的地震作用,进行考虑双非线性的推覆分析(Pushover分析)。双非线性的推覆分析得到剪力-变形曲线如图10所示。

　　 由图10可知,在9度罕遇地震之前,结构均未发生较大程度的刚度退化,并且变形能力较强,极限承载力约为9度罕遇地震力的1.15倍。从塑性铰的分布模式和发展顺序(图11)看,塑性铰首先在梁中产生,8度罕遇地震之前,仅有局部抗侧力构件有塑性发展;9度罕遇地震下,部分斜撑和柱开始有较明显的塑性发展。说明对于本结构,斜撑是抗震的第一道防线;斜撑屈服后,随着地震力的进一步增加,柱逐渐进入塑性,结构达到极限承载力水平时柱铰模式较为明显,结构整体承载能力逐渐下降,结构最终接近倒塌。结构的破坏发展顺序合理,是较为理想的破坏模式。这同时也说明该结构体系具有较高的抗震安全冗余度。各塔楼在水平极限承载力分析中未表现出明显的整体先后破坏顺序,而是不同柱出现交叉破坏。

　　 采用动力弹塑性和Pushover两种方法对宝安文化艺术中心异型三塔连体结构进行巨震下抗震性能及极限承载力的论证,结论如下:

　　 (1)动力弹塑性分析结果显示,7度罕遇地震下总地震力相对弹性分析结果降低程度在8%以内,除了少数梁以外主要抗侧构件保持弹性;地震作用增大到9度罕遇水平时,少数斜撑和柱进入塑性,整体刚度退化程度较低,结构抵御罕遇地震的安全储备较高。

　　 (2)采用Pushover方法进行水平荷载作用下的极限承载力分析,结果表明:在达到9度罕遇地震水平之前,结构刚度退化缓慢,极限承载力约为9度罕遇地震力的1.15倍,继续加载时结构变形快速增加,内力出现降低。

　　 (3)分析结果表明,支撑是抗震的第一道防线,首先出现屈服,此后底层柱逐渐进入塑性,最终多数柱出现塑性铰,结构失效。整体破坏发展顺序合理。

　　 (4)综合以上分析结果,施工图中可对首层柱底适当加强。