连体结构近年来在实际工程案例中应用越来越广泛，常见的连体结构是2栋独立塔楼自某一楼层开始，上部楼层合二为一，建筑立面形成中空造型。随着建筑立面创作手段日益多元化，连体结构由单向连体向双向连体发展，使得塔楼立面仅单侧出现中空区域向正、侧立面方向均出现中空区域。同时，实际工程出现沿着楼层高度方向的中空区域正、侧立面呈错位交替布置情况，导致建筑立面的中空区域分布呈三维立体化，即形成一种双向多重大跨度错位连体的新型结构体系。此类在单向连体结构基础上衍生出来的双向新型连体结构体系存在较多技术空白，亟待深入研究。

　　 深圳艺展天地展示中心(02-06地块)项目位于深圳市宝安区107国道与松福大道交汇处，项目功能为产业生产用房，建筑方案由许李严建筑师事务有限公司设计。拟建项目包括4栋塔楼，本文以3栋A座塔楼为研究对象(图1,2)。3栋A座塔楼地下2层，地上28层，局部屋面1层，地上结构主体总高度为141.85m，其中，地下1层、地下2层层高分别为6.2,4.0m,1层层高5.1m，除17层层高4.5m外2～22层层高5.4m,23～27层层高4.5m,28层层高4.45m。

　　 建筑平面布置和外立面(图3,4)特点如下:1)南北侧立面分别在2～10,18～22层之间形成2个南北贯通中空区域，即平面布置形成2栋东西侧相互独立塔楼;2)东西侧立面在10～18层之间形成1个东西贯通中空区域，即平面布置形成2栋南北侧相互独立塔楼;3)西侧立面自22层以上塔楼一分为二，一直延伸到屋面层;4)东侧立面在22～26层中间跨区域取消楼盖，该侧立面形成中空区域，26～28层仅东侧区域((4)～(5)轴)楼层相连。以上中空区域设置在塔楼整体立面造型依次形成6组楼层(楼层数分别为8,8,4,4,2,1层)，形成每组楼层上下交替的“搭积木”的效果。上下每组相邻楼层均相互垂直设置，配合外立面窗户横平竖直的分割线条造型，与建筑立面中空区域相互呼应，最终形成了整齐有序的立面空间效果。

　　 项目所在地抗震设防烈度7度，设计地震分组第一组，场地类别Ⅱ类，典型楼层结构平面布置图见图5。基于建筑立面造型需求，塔楼沿高度方向分别在10,18,22,26层设置转换层，各楼层均以“梁托柱”形式实现对多个框架柱转换(图5(b)中KZL1,KZL2;图5(d)中KZL3,KZL4;图5(e)中KZL5,KZL6)，转换梁净跨度分别为22.5,13.1m,10,22层转换层以上支承8个楼层，边跨(?，?轴)转换梁支承3根框架柱;18,26层边跨转换层以上支承2～4个楼层，边跨((1),(5)轴)转换梁跨中仅支承1根框架柱。其中，?，?轴形成框支框架，(1),(5)轴两端的转换柱均有一段通高设置剪力墙相连，由此可见，不同楼层、不同轴线位置的转换梁支承条件均有所差异。

　　 10,18,22层(图5(b),(d))为转换梁所在楼层，本层楼盖完整，无缺失。26层仅(4)～(5)轴与?～?轴交汇区域设置转换层，致使26层及以上2层平面布置呈U形(图5(e))。利用位于塔楼四角区域的隔墙、楼梯间、电梯井道隔墙位置沿塔楼高度方向通高双向设置剪力墙，即在塔楼四角形成类似筒体受力构件，平面布置呈双向对称，为结构体系提供良好的抗侧和抗扭刚度。

　　 基于本项目建筑平面布置和立面造型的特殊性，其结构体系特点概述如下:1)塔楼结构体系由三维空间构成，在4个角部小塔楼之间在不同楼层设置若干个大跨度连体楼层，且相邻连体楼层方向垂直，并沿着高度方向交替设置;地震作用下墙柱等构件屈服耗能机制复杂，须深入研究地震作用下结构的传力特点，以及关键构件屈服部位和屈服顺序，确定合理的抗震性能目标。2)沿楼层高度方向，形成多重高位转换，转换层所在楼层即是某一组标准层在X向(或Y向)中间跨区域缺失的起始或终止楼层，也是在X,Y向建筑立面形成中空区域的分界楼层，在整栋塔楼所有楼层中，除底部楼层1,2层以外，仅转换层楼盖完整。3)标准层平面布置形成2栋独立塔楼，且上下相邻的每组楼层平面布置方向互相垂直，致使建筑立面南北和东西向中空区域在高度方向呈上下交替错位布置。4)仅位于四角区域楼盖和电梯井道区域楼层沿高度方向通高设置。5)各组楼层的标准层“连体区域”均是通过“梁抬柱”形式组成楼盖支承体系。6)18～22层(4)～(5)轴与?轴交汇区域向外悬挑7.25m，在18层采用悬挑转换梁，在梁端柱立柱(图5(d)中LZ1)，上部支承4层。

　　 由于塔楼沿高度方向依次存在4次转换，转换构件和标准层楼盖选型须考虑以下因素:1)建筑立面要求梁柱形成“外凸”的矩形方格网状布置，混凝土构件更便于实现此种立面造型。2)建筑立面要求转换构件外形“方正”，其高度不宜与相邻梁柱截面尺寸相差太大，选用混凝土转换梁更符合要求;转换构件若采用钢桁架，其高度取1～2个楼层层高更为经济合理，同时，须外包装修材料，显然与建筑立面造型要求尚有一定差距。3)标准层户内由于净高需求，楼盖形式须采用“主梁+大板”形式，板跨度较大(5.35m×10.3m)，选择钢筋混凝土楼盖体系符合实际需求。

　　 综合上述因素，转换构件和标准层构件均以混凝土为主材料，转换梁采用型钢混凝土梁，能充分发挥混凝土构件耐久性好的优势，减小外装修和维修成本。但是，从施工角度考虑，由于转换层下方存在中空，特别是第一道转换层(10层)下方中空高度达42.3m(8层通高)，给施工时支承转换层模板造成很大困难，该问题在施工期间与总包单位通力协作和反复论证，租借专门用于高架桥梁施工的胎架，得以妥善解决(图6)。

　　 广东省高规^[1]第11.2.2条规定，对于高位转换，转换层上、下相邻2层抗震等级需要提高，此项规定与本项目情况相符，且后续大震弹塑性分析也验证上述说法的合理性，故综合考虑本项目实际情况，并兼顾底部加强区，最终确定1～4层、8～12层、16～28层(图7中有粗实线楼层)的抗震等级取特一级。

　　 分别采用YJK,ETABS软件对结构进行小震弹性分析，结构三维计算模型见图8。

　　 由于难以直观判断塔楼结构体系归属问题，采用框架部分承担倾覆力矩百分比和层位移曲线衡量其结构体系受力特性。经过计算，X,Y向框架部分承担的地震倾覆力矩占比分别为21%,22%，介于10%～50%之间，根据高规^[2]第8.1.3条规定，符合框架-剪力墙结构规定要求。另外，在侧向力作用下X,Y向层位移曲线(图9)无明显突变，表明整体结构中框架和剪力墙的刚度分配较均匀，曲线呈剪弯型。由此可见，以受力特性角度作为衡量标准，可将该塔楼划分为框架-剪力墙结构。

　　 周期和振型计算结果见表1，结构前3阶振型见图10。计算结果显示，采用YJK,ETABS软件计算得出的结构前6阶周期数值接近，且振动特性一致。其中，结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.79，小于0.85，表明结构体系抗扭刚度良好。其原因是塔楼四角剪力墙均上、下贯通，且双向布置，墙柱平面布置基本均匀对称，客观上为结构体系具备合理抗扭能力提供有利的客观条件。

　　 由图11可见，结构X,Y向层间位移角曲线在各楼层均是地震作用工况起控制作用，主要原因是风荷载按照风洞试验^[3]数据输入，塔楼高度方向存在数个中空区域，客观上对风荷载起到卸荷作用，故风荷载作用相对较小。层间位移角曲线大部分楼层平滑，仅在X向10,22层、Y向18层出现“颈缩”现象，是由于这三个楼层为转换层，其楼层侧向刚度相对较大所致，层间位移角比相邻楼层会有所偏小。X,Y向最大层间位移角分别为1/1 587(15层)、1/1 249(13层)，均位于中部楼层。

　　 由图12可见，楼层位移比仅在Y向26层存在突变，最大值为1.23，是由于在该层结构平面布置形成U形，导致楼层刚心与质心偏差较大造成。总体而言，位移比指标尚能控制在合理范围之内。

　　 图13为剪重比曲线。可以看出，X,Y向分别在7,9层以下剪重比小于限值要求，基于广东省高规^[1]第4.3.13条规定，对楼层剪力小于规定的最小值予以放大，且放大后基底总剪力不小于底部剪力法算的总剪力的85%。

　　 图14中楼层刚度比曲线的数值为本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值，若比值大于1则表示该层侧向刚度比满足要求，可以看出，9,21层X向刚度比分别为0.95,0.92;17层Y向刚度比为0.94，略小于限值1.0。图15为楼层受剪承载力比曲线，可以看出，9,21层在X向受剪承载力比分别为0.58,0.53,17层Y向受剪承载力比为0.65，小于限值0.8。上述2个指标变化趋势的共同点是小于限值的楼层均位于转换层的相邻向下一个楼层，是由于转换层层刚度和层受剪承载力均相对于下一楼层偏大所致，属于对抗震不利区域，在大震计算中须重点关注。

　　 根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号)^[4]、《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》(粤建市[2016]20号)^[5]，对结构不规则项进行检查，塔楼存在高度超限，一般不规则项3项，分别为扭转不规则、构件间断、承载力突变，单项不规则项1项，为高位转换，故判定该栋塔楼为超限高层建筑。特别针对关键构件，即转换柱(墙)、转换层以下落地剪力墙、转换梁、底部加强部位的重要剪力墙，转换层以上加强部位的重要剪力墙等，其性能目标均给予具体要求，各构件性能目标见表2。

　　 采用ABAQUS6.10软件对塔楼进行大震动力弹塑性分析，模型中考虑几何非线性和材料非线性，计算持时25s。结构阻尼比取0.05。模型总质量由构件自重和附加质量组成，构件配筋取自YJK计算结果。梁单元采用考虑剪切变形的铁木辛克单元，选择纤维截面模型，沿构件截面两个方向划分为多个纤维束，不同纤维束可以分别模拟钢材或混凝土。型钢混凝土转换梁用壳单元模拟混凝土和型钢腹板，梁单元模拟梁纵筋和型钢翼缘。剪力墙采用分层壳单元，通过在分层壳中设置不同的材料来分别模拟钢筋层、混凝土层。采用2条天然波和1条人工波进行分析，地震波由场地安全性评价报告^[6]提供。考虑三向地震动输入，即X,Y,Z向地震加速度峰值按照1∶0.85∶0.65的比例输入，将每条波最大加速度峰值均调整为220m/s²。

　　 三条地震波作用下，天然波1作用下的顶点位移在X,Y向均最大，分别为0.51,0.46m。大震弹塑性与大震弹性基底剪力之比X,Y向介于0.55～0.93(表3)，符合结构耗能和力学概念。

　　 图16为大震弹塑性和大震弹性分别作用下的基底剪力时程曲线对比，可以看出，5s以前两条曲线基本吻合;5s以后，大震弹塑性基底剪力幅值逐渐呈减小趋势。图17为大震弹塑性和大震弹性分别作用下顶点位移对比曲线，曲线变化规律同基底剪力。以上2组曲线的共性是在时程后期2条曲线存在明显相位差。由此可见，由于结构损伤，耗能构件屈服，大震弹塑性基底剪力和顶点位移均呈逐步减小趋势，周期逐渐加长，耗能构件发挥作用，结构总体损伤程度为“中度”，说明大震弹塑性计算结果可信。

　　 图18为大震弹塑性层间位移角曲线，可以看出，X,Y向最大层间位移角分别为1/198和1/172，均小于规范限值1/125。曲线沿着高度方向变化规律与图11中的小震弹性层间位移角曲线分布趋势一致，即在转换层均出现突变。

　　 选取典型剪力墙和框架，分析其损伤历程。选取图5(d)中(5)轴处的剪力墙为研究对象，此剪力墙在重力荷载作用下初始损伤为0.02，随着时程进展，转换梁损伤逐步增多，中上部墙体出现轻度损伤，墙体损伤沿高度分布均匀，损伤部位较大的部位为转换梁与转换柱的梁柱节点区域，剪力墙损伤顺序合理(图19)。

　　 选取图5(b)中?轴处的框架作为研究对象，此框架梁在重力荷载作用下钢筋最大拉应变值为0.000 658，处于弹性状态。框架梁先出现轻微屈服，屈服部位位于中上部楼层，钢筋最大拉应变值为0.002 975，比重力荷载作用下增大较多。框架梁屈服部位沿高度分布均匀，转换梁以上多数楼层边跨梁支座处均发生屈服，梁抬柱首层和最顶层框架柱出现受拉屈服，损伤相对较大，转换梁未屈服(图20)。

　　 图21为框架柱混凝土受压损伤分布，可以看出，框架柱基本保持弹性。图5(d)中18层(4)～(5)轴与?轴交汇区域向外悬挑转换梁上支承的柱由于竖向变形较大，导致柱内钢筋受拉力较大，钢筋屈服，损坏等级为6，为严重损坏。其余损坏等级为1，无损坏。施工图阶段将18层悬挑转换梁由型钢混凝土梁改为钢梁，其上支承的框架柱底部改为方钢管混凝土柱，高度为2m，然后在方钢管中插入纵筋，向上过渡为钢筋混凝土柱，同时适当增加柱内纵筋配筋率。该措施不但能提高转换构件抗震性能，同时兼顾施工便利需要。

　　 图22为混凝土梁受压损伤分布，可以看出，屈服部位沿高度均匀分布，属于轻度损坏;个别连梁属于严重损坏，起到耗能作用。

　　 图23为18层楼板混凝土受压损伤分布，该层右下角凸出区域出现楼板局部屈服，损伤系数达到0.74，是由于该区域板跨较大(跨度为7.25m)，楼板损伤相对较大。该区域转换梁改为实腹式工字钢梁，同时悬挑区域采用钢梁也便于施工吊装，相应楼板配套采用钢筋桁架楼层板，板厚180mm，板配筋率取0.3%双层双向拉通。

　　 图24为22层楼板混凝土受压损伤分布，该层平面布置为U形，位于右侧转换层区域跨中位置楼板混凝土受压损伤较大，损伤系数达到0.53，显然是由于平面布置形成凹凸不规则，导致连接薄弱区域先出现损伤，可以采用前述加强措施予以减弱该区域楼盖损伤水平。

　　 分别在10,22层?，?轴设置转换梁(图5(b)中KZL1)，形成框支框架，初始设计转换梁跨中仅支承1根框架柱，其上托8层。试算结果显示转换梁损伤较大，且梁内钢筋屈服，采取以下改进措施:1)转换梁截面尺寸由“窄高”向“宽扁”转化，原截面尺寸由1.0m×3.5m改为1.4m×2.9m(10层)、由1.0m×2.9m改为1.4m×2.5m(22层)，目的是降低转换梁抗弯刚度，增加其抗剪承载力，适当减小其在地震作用下的受力;2)仅在支承转换梁框架柱的相邻跨楼层层高范围增设一段(长度2.8m)钢板混凝土剪力墙，剪力墙内置钢板与型钢混凝土转换柱内十字形型钢腹板焊接为一个整体，达到增强该层转换柱抗剪能力目的;3)转换梁上支承框架柱由1根增加为3根，等间距布置，与楼层平面房间隔墙位置一致，可将转换梁上承担的集中力分散，实现减少转换梁跨中弯矩的目的;4)转换梁混凝土强度等级提高为C60，以提高混凝土抗剪承载力;5)转换梁上部相邻楼层框架梁梁宽增加为0.8m，梁截面形式改为型钢混凝土梁，增强由转换梁、框架梁柱形成的空腹桁架整体协同工作受力效应。采取以上措施后转换梁损伤系数降低为0.37(图20)，钢筋未屈服，达到预期性能目标。

　　 为进一步验证转换梁受力性能的可靠性，采用ABAQUS6.10建立三维实体模型，以图5(b)中10层?轴转换梁为研究对象，取转换梁及其上、下各一层梁柱建立单榀实体有限元计算模型(图25)。考察转换梁柱节点面内受力情况。梁柱内型钢截面采用减缩积分壳单元S4R，实体单元采用C3D10单元。

　　 原设计与改进后结构方案对比:1)原设计转换梁上支承的框架柱和转换层以上所有楼层框架梁均为混凝土梁;2)改进后转换梁上支承框架柱截面形式在该层高度范围内改为方钢管混凝土柱，转换梁所支承的框架柱位置，在型钢混凝土转换梁内置的型钢梁对应位置的侧面增设加劲肋，加劲肋端部增设封板，形成矩形封闭空间，封板仅在靠近型钢梁上翼缘一定高度范围内设置，未延伸到型钢梁下翼缘，以便于该区域混凝土流动并浇捣密实，改进后梁抬柱区域节点详图见图26中A-A剖面图，可确保梁柱节点形成有效的传力机制。同时，将转换层上一层框架梁改为型钢混凝土梁。分别取转换柱剪力最大时荷载组合(荷载工况为1.2恒载+0.6活载+1.3X向地震-0.5竖向地震)与转换梁上抬柱最大轴力时荷载组合(荷载工况为1.2恒载+0.6活载+1.3X向地震-0.5竖向地震)2种工况。

　　 计算结果显示，原设计转换梁上托柱汇交部位出现混凝土主压应力集中，最大值为66.4kPa，大于f_ck(C60混凝土抗压强度标准值f_ck=38.5MPa)，会导致转换梁顶面与梁抬柱交接区域混凝土被压碎，存在安全隐患。改进后结构方案转换梁顶支承框架柱汇交位置混凝土最大主压应力值为25.4MPa，小于f_c(混凝土轴心抗压强度设计值f_c=27.5MPa)。由图27可见，从转换梁上支承的框架柱传递主压和主拉应力流方向连续，符合力学概念。在转换层转换柱相邻跨增加的一段钢板混凝土剪力墙能与转换柱共同工作，有效地起到抵抗水平剪力作用，对混凝土拉压应力的传力没有造成不利影响(图28)，说明改进后结构方案合理有效。

　　 塔楼转换梁跨度较大，在长期荷载作用下，转换梁混凝土由于开裂、收缩和徐变等因素均有可能导致其刚度降低，相应地产生内力重分布。梁上支承的上部楼层框架梁柱内力也会随之产生变化，故有必要验算长期荷载作用下结构的实际受力情况。

　　 取图5(b)中10层?轴一榀框支框架为研究对象，对其是否考虑长期荷载作用下内力进行分析对比，荷载工况取(1.0恒载+1.0活载)。根据混凝土规范^[7]第7.2.2条规定，对各层的转换梁进行刚度折减，以考虑长期荷载作用。由图29可见，提取10～18层转换梁上支承的位于跨中位置的框架柱(图29中框架柱1)的柱底轴力、转换梁跨中和支座位置弯矩值、转换梁支座剪力值，对是否考虑长期荷载作用下内力进行对比分析如下:1)考虑长期荷载作用与不考虑长期荷载作用下，12～18层框架柱1柱底轴力差值较小，1层柱底轴力相对于上一楼层均稍有增加，但增加幅度不大。10层转换梁顶面的柱底轴力考虑长期荷载作用和不考虑长期荷载作用柱轴力分别为486,222kN，考虑长期荷载作用是不考虑长期荷载作用柱轴力的2.2倍(表4)。2)除转换梁以外，其上部各楼层(11～18层)梁跨中、支座弯矩值在考虑长期荷载作用时均大于不考虑长期荷载作用时的值;而考虑长期荷载作用时转换梁弯矩值均小于不考虑长期荷载作用时的值，转换梁跨中、支座在考虑长期荷载作用时的弯矩值相对于不考虑长期荷载作用时分别减小25%,11%。3)梁端剪力值与弯矩值的变化趋势类似，考虑长期荷载作用时转换梁支座位置剪力值相对于不考虑长期荷载作用下减小13%。

　　 综上所述，考虑长期荷载作用与不考虑长期荷载作用下，不同楼层的梁内力变化规律区别较大，特别是转换梁及其上一个楼层的内力相对于上部楼层变化较大。考虑长期荷载作用下框架柱1的柱底轴力相对于不考虑长期荷载作用增加比例较大，而转换梁弯矩、剪力值均有所减小。即不同楼层，两种工况作用下梁柱内力均有可能起到控制作用。故对于存在大跨度转换的结构，研究其在长期荷载作用下的受力是很有必要的。

　　 (1)基于实际工程需求，提出一种四角筒双向多重大跨度错位连体结构体系，即遵循墙柱平面为“横平竖直”布置的设计理念，又充分理解和利用建筑师对梁柱“外凸”、建筑立面形成正交网格造型的要求，为转换构件选型提供多角度解读。

　　 (2)基于本项目存在多重转换，且空间构件组成复杂多变，无法直观判断其结构体系归属，以框架部分承担倾覆力矩百分比和层位移曲线反映的力学特性作为衡量指标，综合判断结构体系符合框架-剪力墙受力特征，其思路值得同类项目借鉴。

　　 (3)小震弹性分析中，分别从周期、振型、层间位移角、位移比、剪重比、刚度比、受剪承载力之比等基本指标入手，综合判断结构体系的合理性和可靠性，是超限高层建筑结构设计工作的重要组成部分之一。

　　 (4)对存在多重大跨度错位连体结构，大震弹塑性动力时程计算分析已不仅仅局限于完成超限项目的常规工作，通过初步计算揭示出的结构受力的薄弱部位，提出将转换梁截面尺寸由“窄高”转化为“宽扁”形式，转换梁上支承的框架柱根数由一根增加为三根;转换梁上支承的一组楼层中，起始楼层和顶层柱改为方钢管混凝土柱，对应楼层框架梁改为型钢混凝土梁等措施，真正实现消除安全隐患，确保结构体系做到安全可靠，使得大震动力弹塑性时程分析成果落到实处，改进措施有据可依。

　　 (5)突破传统思维，未采用简单增加转换柱截面尺寸的方式提高其抗剪能力，而是在转换柱所在楼层的两侧相邻跨增设一段钢板混凝土剪力墙，并与转换柱相连，共同承担水平剪力。并通过实体有限元分析验证钢板混凝土剪力墙、转换柱、转换梁能实现共同工作，为框支框架中转换柱存在抗剪不足难题提供新思路。

　　 (6)基于混凝土在正常使用阶段存在开裂、收缩和徐变等特性，通过大跨度框支框架考虑荷载长期作用下专项分析，深入认识以混凝土为主的转换结构体系受力特性，特别是对转换梁及其相邻上一层梁柱内力会产生较大变化，结构设计须予以重点关注该项因素影响。

　　 (7)本项目已竣工，并完成竣工验收，其实际立面效果与建筑师效果要求基本一致，得到各方好评。