某双塔连体综合楼的结构设计简析

李 凯 刘文良

1 工程概况

该综合楼位于太原市经济开发区，地下 2层，地上 10层，总高43.2m，东西向 72m，南北向 25m。该结构地面以上 4层为底盘，5层以上为两个塔楼，在 8层 ～9层采用型钢混凝土结构将两塔楼相连。连廊跨度为 18m，宽度 8m。本工程选用整体现浇钢筋混凝土框架—剪力墙结构体系，结合楼梯间和电梯间布置剪力墙。此工程抗震设防烈度为 8度，地震基本加速度值为 0.2g，Ⅲ类场地土，设计地震分组为第一组，地震影响系数最大值αmax= 0.16，结构阻尼ξ=0.05，场地特征周期为0.45 s。

该工程连体部分与主体结构采用强连接形式进行设计。根据JGJ 3-2002高层建筑混凝土结构技术规程，此工程为大底盘双塔连体结构，体型特殊，受力复杂，属于复杂高层建筑结构。尤其是双塔之间的连体部分，是结构设计中的关键部位。

2 结构分析

本工程为大底盘双塔连体结构，体型复杂，局部存在SRC结构，按规范要求应采用两个不同力学模型的三维空间分析软件进行多遇地震作用下的内力和变形分析。本工程采用SATWE和PMSAP软件进行分析和相互校核。地震作用计算方法采用振型分解反应谱法和多遇地震下的时程分析补充计算。在采用 SATWE软件进行计算时，振型数取 18，同时考虑双向地震和偶然偏心作用，并将连体部分楼板定义为弹性膜。框架抗震等级为二级，剪力墙抗震等级为一级。

1)SATWE软件主要计算结果见表1。

表1 SATWE软件主要计算结果

计算结果均满足规范要求。

2)双塔的地震响应分析。

《高规》规定，连体结构各独立部分宜有相同或相近的体型，平面和刚度，否则可能导致更为复杂的地震响应。在 33所综合楼项目设计中发现，刚度较弱的塔体由于在地震作用下的位移较大，由SATWE计算结果中的结构整体空间振动简图可以看出塔体与连体结构的连接处变形过大(如图1所示)，可能导致混凝土开裂。因此，在进行多塔连体结构设计时，尽量通过调整剪力墙的截面和布置使得各塔的侧向刚度接近，这样可以尽量减少地震对结构的不利作用。关于各塔结构的地震反应也可以通过反应谱分析结果估算。以本工程为例，在图 2中给出反应谱计算的地震作用下的最大楼层位移角曲线，如果各塔的抗侧刚度相等，则曲线应该基本吻合;假如抗侧刚度不等，则曲线会出现分支。根据最大楼层位移曲线可以看出，X向两塔刚度基本相同，Y向在 7层 ～9层塔1刚度大于塔 2，两塔的侧向刚度不同会导致结构的动力反应加剧，两塔的动力特性不同也会进一步加剧地震反应。所以要尽量调整使7层～9层两塔 Y向刚度接近，本工程经调整梁，柱，剪力墙的布置及几何尺寸，使塔1在 7层 ～9层最大位移约为塔 2的80%，两塔刚度基本达到接近。因塔 2刚度较小，Y向位移较大，且局部柱子出现较大有害位移，所以将塔 2中 7层～9层柱箍筋全长加密，并提高主体结构外围剪力墙的竖向配筋率至 0. 5%。地震作用下楼层最大剪力曲线见图 3。

3 双塔连体结构关键部位的结构设计及构造措施

1)连体部分的设计。连体结构属于不规则结构，根据《高规》抗震设计时，连接体及与连体相连的结构构件的抗震等级提高一级采用，本工程与连体部分相连的剪力墙抗震等级设为特一级，框架柱设为一级，连体部分梁抗震等级设为一级。连体部分是连体结构关键部位，其受力比较复杂，一方面要协调两侧结构的变形，在水平荷载作用下承受着较大的内力，另一方面由于本身跨度较大，除竖向荷载作用外，竖向地震作用影响也较明显[3]。在设计中，通过方案比较，调整连接体的刚度，使之能协调两塔楼的刚度，控制整体结构的扭转变形。连体部分主受力结构采用型钢混凝土结构。太原为 8度区，连接体考虑竖向地震作用且采用中震弹性设计方法，以保证关键部位在中震作用下无损伤，在罕遇地震作用下延迟进入屈服状态。连接体为 2层，经计算最底层采用 400×1 200(内置型钢H 700×400×14×20)型钢混凝土主梁，中间和屋面层采用 400×1 000(内置型钢H 600×400×12×18)型钢混凝土主梁，楼盖为钢筋混凝土井字梁。

2)连体型钢混凝土梁与主塔楼连接节点设计。连体结构采用刚性连接，连接处受力很大，为有效地提高连体的承载力和在罕遇地震作用下结构的延性，设计中在与连体梁连接的柱内设置型钢(700×700柱内置双型钢H 400×250×18×12)，经计算在中震作用下不屈服。连廊与主塔楼连接节点设计极为重要，型钢混凝土梁与主塔楼柱内型钢通过焊接形成刚性节点，并考虑对支座弯矩的调整，柱内型钢向上、向下各伸一层，以解决局部承压及荷载传递问题(见图4)。

3)连体部分楼，屋面和大底盘屋面构造措施。当风或地震作用时，结构除产生平动变形外，还将产生扭转变形，为了保证两塔楼共同振动，需将两塔楼的连体部分楼面刚度加大，使其犹如一个刚性层[3]，因此连体部分的楼板板厚和梁高要适当加大。此外，连体部分楼层的楼板和梁在两塔楼的同向平动和相向运动中，受力很不利。连接体楼面可考虑相当于作用在一个主体部分的楼层水平拉力和面内剪力上[5]，所以连接层梁板的上、下钢筋应通长布置。本工程连体部分楼板厚度均取 150mm，并采用双层双向钢筋网，且配筋率大于 0.3%，并宜考虑适当布置斜向钢筋。

楼层剪力和位移角突变发生在大底盘面处。大底盘屋面层上下层是结构首先出现塑性铰的部位，也是受力较大的区域，特别是裙房与塔楼相交处受力复杂，需特别加强。本工程加大裙房屋面板及上下层的板厚(均为150mm)，并采用双层双向钢筋网，配筋率大于 0.3%。将裙房屋面上一层及下面各层剪力墙的边缘构件均按约束边缘构件考虑并加强配筋，加大连梁的配箍率，加大裙房屋面上下层的柱配筋，保证裙房上下层的延性。

4 结语

多塔连体结构平面和竖向的不均匀很可能造成结构的平面扭转不利及竖向刚度突变，这些都给结构的抗震设计增加了很大的难度。由于目前各规范中对于类似本工程复杂体型建筑的抗震设计还没有相应的很明确的设计条文，且目前的大量研究侧重于理论探讨，故本文在总结该综合楼结构设计时所提出的一些需注意的问题与结论，仅供设计同行在进行同类结构设计时进行比较与参考。

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[2] JGJ 3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

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[5] 李国胜.高层混凝土结构抗震设计要点、难点及实例[M].北京:中国建筑工业出版社，2009.

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