带悬挑连廊连体结构的抗震设计研究及应用

兰国冠 徐孝刚 许华南

(1：龙岩学院 资源工程学院，龙岩 364012； 2：泸州市江阳区建筑设计室，泸州 646000)

0 引言

连体结构是指两个或两个以上塔楼之间带有连接体的结构.目前，从形式上看，连体高层建筑结构主要形式有凯旋门式和连廊式两种，凯旋门式也称门式高层结构，其连接体的宽度与塔楼结构的宽度相等或近似，两个塔楼主体结构一般对称布置，如北京西客站主站房及上海凯旋门大厦均为凯旋门式结构.连廊式连体结构是在两个主塔楼之间的某部位设置连廊，连廊的宽度一般在10m以内[1].

而带悬臂连廊连体结构与这两种结构形式均不相同，带悬臂连体结构是一种特殊的连体结构，其形式为：两塔楼各自伸出一段悬臂，中间的缝隙作为抗震缝使用，或者由某一中间塔楼向两边塔楼各伸出一段悬臂，延伸到两边的主塔结构上，左右两塔结构各自独立，由于两塔楼之间其实并未真正连接，因此带悬臂连廊连体结构又被称为”假连体结构”.

当遇到双塔在体量上差别较大，或者结构形式不相同，且连廊跨度不是特别大时，尤其是多塔连体结构,采用传统的连体结构将出现复杂的相互耦联振动及较大的扭转效应，对抗震非常不利，且传统连体结构各独立部分要求有相同或相近的平面布置、刚度和体型，最好采用双轴对称的平面形式;层数和刚度相差悬殊的建筑在7度、8度抗震设计时不适宜采用连体结构[2-5].然而，由于建筑外观立面及使用功能的要求，又必须设置连廊时，经研究计算，可考虑采取假连体结构形式，即带悬臂连廊连体结构，随着城市的发展，高层建筑越来越多，现代建筑追求新、奇、异及美观，同时，结构上为了避免出现诸如耦联振动、扭转效应等问题，带悬臂连廊连体结构形式将诸多方面得以应用，对其适用性及抗震设计进行研究具有重要的现实意义.

1 结构分析

1.1 带悬臂连廊连体结构存在的问题

带悬臂连廊连体结构属于体型上部大下部小的竖向不规则结构.上部结构质量比下部结构大，会使高振型的地震作用变大，同时，悬挑结构因质量大，产生附加的质量偏心，使主体结构的扭转效应增大.有试验表明，悬挑结构具有很明显的竖向地震效应，且效应随着悬挑尺度的增大而增大，设计中必须给予考虑[6-10].基于对以上问题的思考，该文以某三塔连体结构(中塔向两边伸出悬臂)为例，分析其在多遇地震作用下的整体反应，为进一步优化结构设计提供参考.

1.2 结构实例

结构概况：某连体结构由A，B，C等3栋楼组成(见图1)，塔楼主体为框剪结构，抗震等级为框架二级，剪力墙二级，悬挑钢桁架二级.其中，B栋为带悬挑连廊的连体结构，B栋结构体系为框架-剪力墙结构，塔楼高98.3m.根据建筑外观及使用要求，在B栋主体左右两端分别设置悬挑钢桁架通廊，与两端的A栋和C栋相连，左侧悬挑连廊共4层，位于20层～24层，出挑25m；右侧悬挑连廊楼层为2层，位于20层～22层，出挑28m.

悬挑钢桁架的上、下弦杆型钢均向主体结构延伸2跨，使钢桁架上、下弦杆内力更直接传递到主体上.梁截面形式采用型钢混凝土梁，钢桁架上、下弦所在楼层为钢筋混凝土现浇梁/板体系，板厚200mm.

按振型分解反谱法进行抗震计算.建立带悬挑连廊连体结构有限元模型(见图2)，分别对结构的周期、位移角、楼层侧向刚度及受剪承载力比、轴压比、剪重比、层间位移角、位移比、倾覆验算、刚重比等参数进行计算分析.

图1 连体结构整体立面示意图Fig.1 Schematic diagram of the conjoined structure

图2 B栋连体结构模型图Fig.2 Structural model of building B

1.3 计算结果分析

1.3.1 周期

由表1可知，两种软件计算所得的周期及平动系数很接近；第一振型到第三振型分别见图3～图5.

表1 计算周期对比Table 1 Comparison of calculation cycles

图3 第一振型(X向平动) Fig.3 The first mode(X-direction)

图4 第二振型(Y向平动) Fig.4 The second mode(Y-direction)

图5 第三振型(扭转) Fig.5 The third mode(torsion)

1.3.2 位移角

由表2可见，计算所得结果均满足规范规定的地震作用下层间位移角小于1/650的要求.

表2 计算层间位移角对比Table 2 Comparison of interlayer displacement angles

1.3.3 受剪承载力比

图6计算结果显示，在悬挑桁架所在楼层的下一层结构受剪承载力发生突变，因此，设计时必须按照规范要求对悬挑桁架所在楼层及上下相邻层采取加强抗震的措施.

1.3.4 楼层侧向刚度

依据《高层混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)[4]：“对框架-剪力墙和板柱-剪力墙结构、剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构，楼层与其相邻上层的侧向刚度比γ可按式(1)计算，且本层与相邻上层的比值不宜小于0.9；当本层层高大于相邻上层层高的1.5倍时，该项比值不宜小于1.1；对结构底部嵌固层，该比值不宜小于1.5”.采用考虑层高修正的楼层侧向刚度比值法计算层刚度.

(1)

式中，γ为考虑层高修正的楼层侧向刚度比.

从图7层刚度比曲线看，楼层刚度比满足规范限制要求.

图6 受剪承载力比Fig.6 Shear bearing capacity ratio

图7 层刚度比曲线结果Fig.7 Layer stiffness ratio curves

1.3.5 倾覆力矩

图8结果显示，各层框架部分承担的地震剪力标准值Vf小于0.2倍结构底层总地震剪力标准值V0(即Vf<0.2V0)，此时，根据《高层混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)，为提高框架作为二道防线的安全储备，框架总剪力应按0.2V0及1.5Vfmax二者的较小值采用.其中，V0为地震作用标准值的结构底层总剪力；Vf为框架承担的地震总剪力；Vfmax各层框架承担的地震总剪力中的最大值.

1.3.6 地震弹性时程分析

本结构具有竖向体型收进、悬挑结构、连体结构等特点，属于高层建筑混凝土结构设计规范规定的复杂高层建筑结构，应采用弹性时程分析进行补充分析[11-12].假定各楼层的质量集中在楼层处，采用分层模型、弹性多质点体系，在结构分析软件输入7条地震波(数字化地震地面运动加速度)，5条为安评天然波，另2条为场地人工波，按7度地震，Ⅱ类场地进行多遇地震(T=50年)弹性时程分析，得到结构各点的速度、位移及加速度反应，再由位移反应计算结构内力.

图8 框架柱分配的地震剪力标准值占基底总剪力的百分比Fig.8 The standard value of seismic shear force of frame column as a percent of the total base shear force

图9 时程分析楼层剪力(X 向) 、(Y 向) Fig.9 Time history analysis for storey shearing force(X direction)，(Y direction)

从计算结果来看，7条时程曲线计算得到的结构基底剪力的平均值大于振型分解反应谱法的80%.部分楼层 CQC法的层间剪力小于地震波对应的平均层间剪力曲线.

由以上分析可知：轴压比、层间位移角、剪重比、倾覆验算、位移比、刚重比均满足规范要求.由于悬挑连廊为整层钢桁架刚度较大，使悬挑楼层的抗剪承载力有较大提高，从而使悬挑桁架上下的过渡层抗剪承载力发生突变.总体来看，结构在多遇地震作用下，具备良好的抗侧性能，满足小震弹性的性能目标.

2 结构的应用

由以上实例的多遇地震弹塑性计算分析可以看出，多遇地震(T=50年)下结构满足抗震性能水准1的要求，即：结构关键构件、竖向构件、耗能构件均无损坏，无需修理即可继续使用.因此，当遇到双塔在体量上差别较大或结构形式不同且连廊跨度不是特别大时，尤其是多塔连体结构，采用传统的连体结构将出现复杂的相互耦联振动及较大的扭转效应，对抗震非常不利.结构上为了避免出现诸如耦联振动、扭转效应等问题，使结构受力更明确、简单，经计算研究采用带悬挑连廊的连体结构形式是可行的.

3 结论及建议

根据以上分析，所得结论及建议如下：

(1) 整层钢桁架悬挑连廊刚度较大，使悬挑楼层的抗剪承载力有较大提高，设计时可在悬挑连廊所在楼层及下部楼层的竖向构件中设置型钢柱或加大柱截面，以减小由于悬挑桁架上下的过渡层抗剪承载力发生突变造成的不利影响.

(2) 在结构设计中为尽量减小悬挑结构的质量，防止因悬挑连廊的质量过大产生附加的质量偏心，从而导致主体结构产生附加的扭转效应.悬挑连廊结构建议采用钢结构，梁、柱采用H型钢，楼板建议采用压型钢板混凝土组合楼板，以减小悬挑连廊对主体结构的不利影响.

(3) 由于悬挑连廊结构的竖向地震效应明显，且随着悬挑尺度增大，效应越明显，故设计中必须考虑竖向地震效应.建议采用规范规定的简化方法、竖向地震反应谱法、竖向地震时程分析法等计算方法，对悬挑结构的竖向地震效应进行计算，以解决竖向地震效应问题.

(4) 为了提高构件的承载力，一方面可在结构计算时提高悬挑结构及支撑悬挑结构构件的抗震设防标准，把收进的楼层作为薄弱层进行计算，同时放大地震剪力；另一方面可在体型收进处对结构进行加强，尽量避免结构刚度的突变，从而提高构件的承载力.

(5) 为使悬挑连廊的质量荷载产生的倾覆力矩传递到塔楼上，使塔楼整体承受倾覆力矩，应在悬挑部分及塔楼的对应部位加设型钢混凝土斜撑.

参 考 文 献

[1] 建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[2] 林宇,何翀,陈德良.某低位连体结构中连廊对塔楼的影响分析[J].建筑结构,2016,46(1):87-91.

[3] 高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3—2010)[S].北京:中国建筑工业出版社，2011.

[4] 建筑结构荷载规范( GB 50009—2012)[S].北京:中国建筑工业出版社，2012.

[5] 吴宏雄,覃建华.深圳湾创新科技中心超高层连体结构设计[J].建筑结构,2016,46(16):11-17.

[6] 向涛,贺俊,胡晓娟,袁天义.某钢桁架低位连体结构分析与设计[J].建筑结构,2016,46(1):82-86.

[7] 李颖,徐敏,陈志祥,朱少博.杭州新天地办公楼不规则连体结构地震反应分析[J].建筑结构,2015,45(10):85-89.

[8] 金少军,周华俊.高空大跨度悬挑连廊的支撑施工[J].建筑施工,2003(4):284-285.

[9] 刘永璨.某带裙房双塔连体结构设计[J].结构工程师,2015,31(3):7-11.

[10] 吴晓涵,韦晓栋,钱江,吕西林.双塔连体结构弹塑性时程分析[J].地震工程与工程振动,2011,31(3):51-58.

[11] 郑少昌,郑建东.昆明同德广场超高层办公楼抗震设计[J].建筑结构,2015(1):10-14.

[12] 朱卓齐,汪小平,费华.强震作用下带楼梯L型平面不规则框架结构动力弹塑性分析[J].江西理工大学学报,2016,37(3):42-49.