某复杂连体高层的结构设计

庄 晨

(福州市建筑设计院 福建福州 350001)

引 言

随着经济的发展，人们对建筑整体造型和使用空间的要求也日益提高，因此出现了越来越多具有独特造型或结构的建筑，这给结构设计带来了很多新的问题和挑战，连体建筑就是其中一类，下面通过论述某工程实例的设计方法，提出这类建筑设计中须额外注意的地方，供工程设计人员参考。

1 工程概况

该工程为商业办公楼，地处福州市台江区。整个建筑分为南、中、北三个塔楼，层数分别为二十层、八层、六层，建筑高度分别为93m、41m、32m，结构体系为框架－剪力墙。其中南塔楼与中塔楼二、三层局部楼板相连，四～八层之间有连廊相接，北塔楼与中塔楼之间三～六层有连廊相接，所有连廊宽度约6m。

图1 工程平面概况

2 设计思路

从(图1)中可以看出三个塔楼形体均较规整，且高度也不高，因此比较常规的设计思路是:连廊与塔楼的连接均采用弱连接，设计成滑动支座，这样将整个建筑划分为三个独立的结构单元，减少塔楼之间的互相影响，同时避免结构成为超限高层。但是由于建筑功能的需要，南塔楼和中塔楼二、三层位置的裙房和塔楼之间无法设置结构缝或处理成滑动支座，因此拟将南、中塔楼之间连廊均采用刚性连接，中、北塔楼之间连廊采用滑动支座，尽量减少不同塔楼之间的影响，并在此基础上进行超限审查;最终在超限专项审查组专家的建议下，考虑到三个塔楼有十分相近的体型和平面，且中、北塔楼高度和层数相差不多，因此最终方案采用所有连廊和塔楼之间均为刚性连接，形成三个塔楼的连体结构。

3 主要计算分析过程

和常规结构相比，对采用刚性连接的连体结构在设计中应主要关注以下几个方面的问题:(1)扭转效应明显;(2)连接体本身受力复杂;(3)连接体与两端主体结构的连接方式。因此，针对连体结构的特点，并结合超限审查的要求，对于本工程需采取以下措施:

(1)为保证力学分析的可靠性，采用盈建科及PKPM的SATWE两个软件进行多遇地震下的静力计算分析，并验证结构各部位在多遇地震作用下的性能目标，计算振型数不应小于塔数的9倍，且保证振型参与质量不小于总质量的90%以上;

(2)为控制结构的扭转，同时综合考虑建筑使用功能，采用各个塔楼的端部布置剪力墙，并尽量让剪力墙形成较为完整的筒体，并且根据不同塔楼高度的不同，通过调整剪力墙的数量和长度，尽量使三个塔楼的刚度比较接近，以减少扭转效应;

(3)采用混凝土连廊，各层连廊及周边板块计算中采用弹性板模型，并对其应力进行分析，连廊板厚适当加强，且双面双向配筋，保证其在设防地震下不破坏，以提高连廊的强度，有利于协调连廊两端的塔楼变形，也起到减少结构扭转的作用;

(4)由于塔楼框架柱跨度较大(达到18m)，且部分框架柱和连廊刚接，因此大跨度框架柱抗震等级提高一级，采取中震弹性的性能设计;

(5)剪力墙底部加强区高度取至九层楼面标高(比连廊高一层)，底部加强区剪力墙抗震等级提高一级，且采用抗剪弹性，抗弯不屈服的性能设计;

(6)采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算，结合本场地实际情况及结构的特点，选用两条天然波及一条人工波进行时程分析(三条波均需满足规范要求)，计算结果取时程分析法计算结果的包络值与振型分解反应谱法计算结果的较大值;

(7)对各个塔楼按单塔楼分别进行计算，其位移、扭转位移比均能满足要求，配筋按单塔和整体模型包络设计;

(8)此外补充进行了罕遇地震下的动力弹塑性变形验算，保证结构罕遇地震下的结构层间弹塑性位移角均满足规范要求，且大跨度框架柱在罕遇地震下均不出现塑性铰。

4 主要计算结果

(1)结构主要的整体指标(表1、表2):

表1 整体结构SATWE和盈建科计算结果

表2 各单塔SATWE计算结果

由以上两表可以看出，两个软件的计算结果基本一致，整体结构的周期比不到0.5，最大位移比也小于1.40，可见结构的扭转效应得到比较有效的控制，且各单塔的整体指标也都能满足规范要求。

(2)本工程采用两条天然波(T632，ELC－3)及一条人工波(RH2TG055)，输入SATWE进行多遇地震下的弹性动力时程分析。

图2 时程分析最大楼层剪力曲线图

图3 时程分析最大层间位移角曲线图

由(图2、图3)可以看出，时程分析补充计算结果满足规范的各项要求，且时程结果总体上小于规范反应谱结果，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》4.3.5条，取时程法计算结果的包络值和反应谱法计算结果的较大值作为结构设计的依据，实际设计时将在SATWE中对地震力放大1.15倍后，楼层剪力和弯矩比时程分析输入的三条地震波计算结果都要大，满足包络要求。

(3)连廊楼板应力采用PMSAP进行计算，部分分析结果如(表3、图4、图5)所示:

表3 设防地震下弹性计算各层楼板拉应力计算值(N/mm2)

图4 X向地震四层楼板应力图

图5 Y向地震八层楼板应力图

由计算结果可知，在设防烈度地震作用下楼板的最大第一拉应力为4.075MPa，配置双层双向Φ12@150钢筋网(三级钢)即可满足工作要求。

(4)由于各塔楼剪力墙全部布置在两端，中部仅设置框架柱，各塔楼框架柱X方向跨度达到18m，大多为单跨，且部分框架柱和连廊刚接，因此提高大跨度框架柱的延性至关重要，超限审查要求框架柱抗震等级提高一级，且采取中震弹性的性能设计，实际设计时主楼大跨度框架柱均采用钢管混凝土柱，直径900～1300mm，钢管壁厚25～40mm，钢材强度为Q235，内部混凝土强度等级达到C40～C60，计算结果表明轴压比基本小于0.3～0.5，可以满足中震弹性的要求。

主楼内大跨度梁采用型钢混凝土梁，连廊为混凝土梁，和钢管混凝土柱的连接方式采用承重销的连接方式(图6)，梁内钢筋焊接在承重销上，使得梁内力的传递更加直接可靠。

图6 梁和钢管混凝土柱连接做法

(5)为确保结构的安全性，实现“大震不倒”的抗震目标，还补充进行了罕遇地震下的动力弹塑性变形验算(图7)。计算采用的软件为PKPM的EPDA，罕遇地震下的结构层间弹塑性位移角最大结果分别为均1/221和1/244，均小于规范规定的1/100的要求;结构的塑性铰基本都出现在梁端，大跨度的框架柱均未出现塑性铰，因此该部分框架柱应能满足抗震要求。

图7 动力弹塑性工况时楼层位移角曲线

3 结语

连体结构作为一种较新的结构形式，扭转效应较明显，受力比常规结构更加复杂，在设计中应注意控制结构的扭转，注意连接体的内力分析，并根据连接体和塔楼的连接方式的采用合适的分析方法，对重要构件须做专门的性能设计，以保证结构的整体安全。本文为笔者根据自身的一个工程实例做这方面的简要介绍，其中难免会有一些疏漏，请广大读者指正。

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