超高层连体结构近年来得到了越来越多的关注和应用, 这种结构形式给予了建筑师在立面和平面上充分的创造空间, 独特的造型带来强烈的视觉效果。在使用功能上, 通过在不同塔楼间设置连接体将各塔楼连在一起, 一方面为解决超高层建筑的疏散问题提供了新的思路, 另一方面, 连接体部分有良好的采光和广阔的视野, 具有巨大的使用价值。目前已建成的超高层连体建筑, 大多成为了一个国家或地区的标志性建筑, 如吉隆坡彼得罗纳斯大厦、CCTV主楼^[1]、东方之门^[2], 新加坡金沙酒店, 重庆来福士广场等。

　　 超高层连体结构形式极其复杂, 影响结构抗震性能的因素众多, 且很多因素的作用机理尚不为人们所掌握, 这给设计工作带来了极大的挑战, 相关研究工作变得十分迫切。目前已经建成和在建的超高层连体结构多为双塔连体结构, 相关的研究工作也主要集中在双塔连体结构。虽然连体结构已有向多塔连体方向发展的趋势, 但这类建筑往往是采用滑动或隔震支座的方式进行连接 (杭州市民广场^[3], 北京当代MOMA^[4]) , 连廊仅为建筑功能上的连接, 而非结构层面的连接, 因此各塔楼之间的相互影响较小, 各塔楼的动力特性与独立塔楼基本相当。

　　 金鹰天地广场项目由三栋高度均超过300m的超高层建筑在高空连体而形成, 是目前世界在建的高度最高、连接体跨度最大的非对称三塔刚性连体结构。本文以金鹰天地广场为依托, 对该项目在力学特性、分析与设计上的关键问题进行研究。

　　 该项目位于南京市河西新商业中心南端, 是集高端百货、酒店、办公等为一体的城市大型综合体。占地面积约5万m², 总建筑面积约90万m²。地上部分由9～11层裙房及三栋超高层塔楼组成, 其中塔楼A地上76层, 建筑高度368m;塔楼B地上67层, 建筑高度328m;塔楼C地上60层, 建筑高度300m。塔楼B在平面上与塔楼A, C呈19°夹角。三栋塔楼在192～232m的高度范围内通过6层高的平台连为整体, 空中连接体最大跨度超过70m。三栋塔楼与裙房间设置防震缝, 使三栋塔楼分为独立的结构单元。建筑效果图、剖面图和连体楼层结构平面图见图1, 2。该项目的建筑方案由上海新何斐德建筑规划设计咨询有限公司 (法国) 完成, 结构方案到施工图均由华东建筑设计研究总院完成。

　　 本工程结构体型复杂, 连接体的存在使得各塔楼相互约束, 相互影响。结构在竖向和水平荷载作用下的受力性能的影响因素众多, 力学特性也更加复杂, 归纳起来主要有以下5个方面:1) 动力特性复杂; 2 ) 扭转效应显著;3) 风荷载的研究资料极少, 相关计算方面尚“无章可循”;4) 竖向刚度突变严重, 连接体受力状态复杂;5) 施工方案对结构设计影响较大^[5]。

　　 本项目抗震设防烈度7度, 基本地震加速度峰值0.10g, 设计地震分组第一组, 场地类别Ⅲ类, 抗震设防类别乙类。根据《金鹰南京所街6号地块工程场地地震安全性评价报告》 (简称安评报告) 和《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) (简称抗震规范) 要求, 经过研究, 本工程的地震动参数按以下原则采用:小震作用地震影响系数最大值α_max=βA_max, 其中, β为动力放大系数, β取2.25;A_max为安评报告提供的地震最大加速度峰值。反应谱曲线的相关形状参数按抗震规范规定取值, 见图3。计算中震与大震作用时, 均参照抗震规范相关要求执行。

　　 三栋塔楼均采用框架-核心筒混合结构体系。为了减小墙体厚度和结构自重, 并提高核心筒的延性, 三栋塔楼在底部部分楼层采用内夹钢板的混凝土剪力墙, 见图4, 主要竖向构件截面与材料见表1。

　　 空中平台周边通过5层高的钢桁架 (简称连接体主桁架) 与主塔楼相连 (图5) , 连接体主桁架环绕贯通三栋塔楼, 确保有效协调三栋塔楼在侧向荷载作用下的变形, 发挥连体结构的整体抗侧作用。空中连接体最下层设置双向交叉转换桁架 (简称连接体转换桁架) , 以承担空中平台的竖向荷载。连接体主要受力构件均采用Q390GJC, 截面形式为箱形截面, 最大截面尺寸为800×600, 最大板厚为100mm。

　　 在建筑设备层与避难层处, 各塔楼沿高度方向均匀布置环带桁架加强。伸臂桁架在提高外框与核心筒协同工作方面可以显著发挥作用, 但同时也增大了构件加工与施工难度, 对工期有较大的影响。本项目采用了刚性强连接的连体方案, 连接体主桁架有效实现了三栋塔楼的共同作用, 极大提高了整体结构的抗侧刚度。通过效率分析, 也结合空中连接体底层转换桁架的布置需要, 仅在各塔楼的转换桁架层设置了一道伸臂桁架, 如图6所示, 极大降低了施工难度。

　　 根据勘察报告, 该工程场地地貌单元为长江漫滩。抗浮设计水位取设计室外地面高程以下0.5m。属轻微液化场地。

　　 该工程采用钻孔灌注桩基础, 为了减小塔楼间不均匀沉降可能带来的连接体附加内力, 三栋塔楼均选择变形模量较大的中风化泥岩层作为桩基持力层, 桩端进入持力层不小于7倍桩径, 并采用桩底后压浆技术。塔楼桩径为1 000mm, 有效桩长为46m, 塔楼桩身 (水下) 混凝土强度等级为C45。计算表明, 三栋塔楼最大沉降差约为10mm。

　　 本工程设4层地下室, 基础底板板面标高为-21.650m, 在纯地下室部位需布置抗拔桩。地下室连为整体, 不设永久伸缩缝。以地下室顶板作为上部结构的嵌固端, 为使得地下室刚度满足嵌固要求, 地下室在主楼相关范围内适当增设剪力墙。基坑周边采用“两墙合一”, 即地下连续墙既作为基坑围护体, 同时兼作地下室结构外墙。

　　 与普通单体结构相比, 刚性连体结构分析与设计的最大特点是塔楼与连接体的耦合效应对结构整体性能的影响。本项目中, 连接体的位置分别接近塔楼B, C高度的2/3和3/4, 对于塔楼A则在高度的1/2～2/3之间, 总体上均位于各塔楼的中上部位。通过对刚性连体结构中连接体位置的参数化分析^[6]可知, 随着连接体位置的降低, 连体结构整体抗侧刚度降低, 塔楼的扭转效应增加, 且连接体以上部分的鞭梢效应增强, 因此当连接体处于各塔楼的中上部位时, 结构的整体抗震性能较好。

　　 表2为单塔与连体结构刚重比的对比, 合理的连接体位置显著提高了结构的整体稳定性。利用这一有利条件, 各塔楼最终仅在连接体最下层设置了一道伸臂桁架, 即可满足结构的刚度需求。

　　 通过对单塔以及连体结构基底倾覆力矩的对比分析 (表3和图7) 发现, 在水平地震作用下, 各塔楼作为连体结构的“柱”所承担的局部倾覆力矩减小, 三栋塔楼承担的整体倾覆力矩在X, Y向分别达到总倾覆力矩的24.4%和26.5%, 表明连体后的结构整体效应明显, 整体倾覆力矩与总倾覆力矩比是判断连体结构连接强弱的重要指标。进一步分析还表明, 由于在承担水平荷载时, 轴向受力构件的工作效率大于受弯构件, 因此连体后各塔楼竖向构件的内力也较独立塔楼有所减小。

　　 刚性连接体虽然增加了连体结构的整体抗侧刚度, 但刚度不同的塔楼被连接体协调变形后, 也使得连体结构的平扭耦合效应明显, 见表4, 因此在动力荷载作用下, 结构较易发生整体扭转现象^[7]。在设计指标上反映为以扭转为主的第一周期T_t提前出现或其与以平动为主的第一周期T₁之比难以满足规范要求且整体扭转位移比超限。

　　 由图8可知, 连体结构的整体扭转中心位于各塔楼范围以外, 因此刚性连接体结构的扭转模态实质是由各塔楼的平动相位差所引起的。进一步分析发现, 由于刚性连接体的约束作用, 连体结构中各塔楼的扭转模态难以发生, 塔楼A, B, C的扭转周期分别出现在6, 11, 15阶, 与第一平动周期之比分别仅为0.32, 0.21, 0.17;图9为连体结构中塔楼A的扭转位移比, 除底部几层外, 绝大部分楼层的扭转位移比均小于1.1。刚性连体结构中各主塔楼的扭转效应较独立单塔结构有了较大改善, 刚性连接体实际增强了塔楼的抗扭刚度。对扭矩相对较大的主要竖向构件进行承载力校核, 可以发现, 在中震作用下, 构造钢筋即可满足抗扭承载力要求;大震作用下, 也仅需配置少量抗扭钢筋即可满足要求, 构件不会由于扭转而发生破坏。

　　 已有的时程分析和振动台试验均显示^[8,9]:扭转周期比和扭转位移比并不能真实反映连体结构由于扭转造成的损伤。现行规范对于结构扭转效应的限制条件 (扭转周期比和扭转位移比) 对于满足刚性楼板假定的单塔结构是适用的。但连体结构不满足整体刚性楼板假定, 同时刚性连体结构的整体刚度较大, 扭转位移超限的楼层水平变形一般较小。如金鹰天地广场项目整体结构扭转位移比超过1.4的楼层层间位移角均小于1/1 400。

　　 综上分析, 建议:1) 适当放松整体结构的扭转周期比限制条件, 尽量减小平动模态的扭转质量参与比; 2 ) 降低整体结构的扭转位移比要求, 重点控制连体结构各塔楼自身的扭转位移比;3) 合理调整各塔楼间的刚度关系, 尽量减小水平荷载作用下连接体楼层的变形差是连体结构设计的关键。

　　 由于刚性连接体的存在, 连接体与相邻楼层存在较大的刚度突变, 但由于本项目中除连接体以外仅在加强层设置环带桁架, 因此这些楼层附近的刚度突变问题得到改善, 见图10。图10还给出了塔楼A动力时程分析得到的楼层层间位移角曲线, 通过与反应谱计算结果的对比可以看到, 在连接体以上, 反应谱计算结果偏小, 在连接体以下则相反。因此对于刚性连体结构, 连接体以上的楼层存在较明显的鞭梢效应, 反应谱计算结果会偏于不安全, 动力时程分析是必要的补充计算手段。

　　 根据该分析结果, 设计时采用了如下加强措施:1) 连接体以上的楼层剪力在反应谱计算结果的基础上进行适当放大; 2 ) 三塔楼在连接体上下一到两层的范围内增设环带桁架, 减轻连接体与上下相邻楼层的刚度突变, 如图11所示。3) 提高连接体以上楼层外框架的部分抗侧刚度, 加大框架梁截面, 将其性能目标提高到中震弹性;4) 对连接体楼层及上下相邻层的核心筒配筋予以加强, 提高构件延性, 关键构件按时程分析结果复核承载力要求。

　　 连体结构的风荷载受塔楼刚度、形状、距离、角度以及连接体形状、位置、与塔楼耦合关系等因素的综合影响, 其作用机理较单塔结构有显著不同。项目委托同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行了风洞试验 (图12) ^[10], 模型缩尺比为1∶350, 地面粗糙度类别为B类, 基本风压分别为0.40kN/m² (对应50年重现期) , 0.45kN/m² (对应100年重现期) 。

　　 根据风洞试验结果, 对各塔楼连体前后的楼层剪力进行对比分析, 以Y向为例 (图13) :塔楼C的首层剪力连体后较连体前增加了13 095kN, 塔楼A的首层剪力连体后较连体前减小了264kN, 塔楼B的首层剪力连体后较连体前减小了7 468kN, 同时连体部位传递到塔楼C的风荷载为5 363kN, 这表明三栋塔楼刚性连接以后, 塔楼A, B通过连接体将部分风荷载传递至塔楼C, 即风荷载效应在塔楼间存在重分布现象。

　　 对按照《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) 计算得到风荷载进行同样的分析, 得到的楼层剪力如图14所示, 规范方法计算得到的风荷载无法考虑塔楼间的相互影响, 不能反映风荷载重分布现象, 因此对于连体结构是不适用的。

　　 连接体不仅承担重力荷载, 还起到协调塔楼变形差异以及不同步振动, 提高结构整体刚度及整体稳定性的作用。由于三栋塔楼体型与主方向角各有差异, 使得连接体在风荷载和地震作用下的受力状态较为复杂。此外, 塔楼间的不均匀沉降亦会在刚性连接体内产生附加内力。基于这些因素, 连接体遵循了以下的设计思路并采取了相应的加强措施。

　　 (1) 塔楼的刚度差异越大, 连接体的内力也越大, 通过调整三栋塔楼的刚度比, 优化各单塔在连接体高度处的变形差, 不仅能够有效控制连体结构的平扭耦合效应, 也会显著改善连接体在协调塔楼不均匀变形时的受力状况。

　　 (2) 对连接体进行抗震性能化设计, 提高重要构件的抗震性能目标, 见表5。对连接体主桁架上下弦杆所在的楼层板进行加强, 厚度取200mm (图15) ;根据风荷载和地震作用下的楼板应力分析结果 (图16) 进行配筋, 并在应力最大的连接体与塔楼相邻跨设置楼板面内水平支撑, 见图17。

　　 (3) 根据施工模拟分析结果确定合理的施工顺序, 对竖向变形差敏感性较高的连接体杆件采用延迟安装方案, 从而有效减小或消除附加内力的影响。

　　 经过计算, 塔楼A, B, C分别在底部20, 6, 6层采用内夹钢板的混凝土剪力墙, 剪力墙端部约束边缘构件内埋设实腹式钢柱, 同时设置型钢混凝土暗梁与连梁, 形成带有钢边框的型钢混凝土剪力墙, 进一步提高核心筒延性, 也提高钢板在施工过程中的稳定性, 见图18。

　　 为了确保钢板混凝土剪力墙的混凝土浇筑质量, 控制钢板与混凝土的差异变形裂缝, 在设计方面, 在钢板上每隔一定距离设置灌浆孔, 确保一定数量的箍筋贯穿钢板, 同时根据剪力墙的应力分布设置抗剪栓钉, 实现钢板与混凝土的共同工作。在施工方面, 混凝土配比应采取措施减少水化热, 后期加强混凝土的养护。对本项目实地观测发现, 面积较大的钢板混凝土剪力墙上仅有极少量细微收缩裂缝, 裂缝控制效果较好。

　　 由于构件类型 (型钢混凝土柱、型钢混凝土剪力墙、钢桁架等) 和钢结构截面形式 (箱形、H型等) 的多样性, 加之结构体型尤其是连接体的结构布置不规则, 使得本项目存在大量复杂的钢结构连接节点。在构件截面设计和构件布置时, 结合节点构造, 遵循以下原则:1) 不同截面形式构件节点, 采取措施确保节点连接的可靠性;如各塔楼与连接体相邻位置处的柱内型钢截面, 在连接体范围内由十字形或工字形过渡为箱形, 确保与周边箱形和H型钢构件的连接, 见图19。2) 型钢混凝土构件内, 首先保证混凝土浇筑密实;如伸臂桁架中外伸臂构件与剪力墙内型钢连接时, 外伸臂的箱形截面翼缘在混凝土内开洞, 剪力墙内部的构件均采用H型钢且腹板沿水平方向放置, 见图20 (a) 。又如型钢混凝土柱与周边钢桁架连接时, 采用蝶形节点连接方式^[11], H型钢构件仅翼缘与钢柱连接, 箱形构件仅腹板与钢柱连接, 见图20 (b) 。需要注意的是, 在计算确定构件的翼缘与腹板厚度时, 应预先充分考虑这种节点的构造特点。

　　 通过对项目在结构布置、动力特性、抗震性能、风荷载特点、重要构件设计等分析和探讨, 可得:

　　 (1) 对于刚性连体结构, 当连接体处于塔楼的中上部位时, 结构的整体抗震性能较好, 合理的连接体位置能够显著提高结构的整体刚度, 提高抗侧力构件的效率。

　　 (2) 刚性连体结构的整体扭转效应显著, 但这种整体扭转实质是由各塔楼的平动相位差所引起的, 塔楼的抗扭刚度实际是增大的, 《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) 对于扭转周期比和扭转位移比的限值对连体结构并不适用。合理调整各塔楼间的刚度关系, 尽量减小水平荷载作用下连接体楼层的变形差是连体结构设计的关键。

　　 (3) 刚性连体结构由于存在较大的刚度突变, 鞭梢效应显著, 反应谱计算结果对于部分楼层会偏于不安全, 需要补充动力时程分析, 并根据分析结果进行相应的设计加强。

　　 (4) 由于连体结构各塔楼的相互影响, 风载效应在塔楼间存在重分布现象, 《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) 中的计算方法没有考虑这种影响, 因此对于连体结构是不适用的。

　　 (5) 刚性连体结构的连接体实现了各塔楼的共同工作, 受力状态较为复杂, 是结构设计的关键点。一方面要采取措施减小连接体在水平荷载作用下的内力, 另一方面对连接体结构进行针对性的加强, 保证水平力的有效传递, 并提高重要构件的安全度。

　　 (6) 本项目在中国建筑科学研究院进行了模拟地震振动台试验^[12], 振动台试验结果显示:主要抗侧力构件的实际抗震性能与设计目标相吻合, 相关的设计方法与加强措施是合理、准确的, 结构的整体抗震能力满足设计要求, 且具有一定的安全储备。