高层连体结构的设计要点

张 葳

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

1 连体结构介绍

连体结构指除裙房以外，两个或多个塔楼之间带有连接体的结构。其属于复杂的结构体系，因此在分析设计过程中，需采用合理的计算模型和有效的构造措施，保证结构安全可靠。

2 连体结构设计要点

2.1 塔楼部分

根据高规要求，连体结构各独立部分宜有相同或相近的体型、平面布置和刚度，宜采用双轴对称的平面形式。在方案阶段应按此原则控制，尽可能选择相似的塔楼形体[1]。当受限建筑布置无法满足时，结构应采取措施来使各塔楼刚度接近，同时应增强各塔楼自身的抗侧和扭转刚度。

连体结构存在大量的参与系数很小低阶振型，在计算时应注意选择足够多的振型来满足设计的精度要求[2]。同时应补充单个塔楼的计算，确保连体失效后，塔楼可以独立承担地震作用不致发生严重破坏。

2.2 连体部分

2.2.1连接体桁架形式

连接体可以采用斜腹桁架或空腹桁架等形式。比较而言，斜腹桁架传力路径明确，弦腹杆受力均匀，构件以轴向受力为主，而空腹桁架相反，构件轴力小、弯矩大。在相同的安全储备下，空腹桁架用钢量比斜腹桁架大很多，因此在建筑允许条件下，优先采用斜腹桁架更加经济合理[3]。

2.2.2连体结构的连接

连接体与塔楼的连接主要分为强连接和弱连接。

强连接一般用于刚度大跨度大的连接体，连接体与塔楼刚接，有利于连接体和塔楼的协同工作。弱连接更适用于刚度小跨度小的连接体，通长连接体一端与塔楼铰接，一端做成滑动支座或两端均做成滑动支座，减弱连接体和塔楼之间的相互作用。

强连接的弊端在于温度应力和由于塔楼不均匀沉降导致的附加应力难以消释。而采用弱连接结构形式能够通过支座变形减弱塔楼与连接体之间的作用力，但需要在支座处预留足够的滑移量(可采用时程分析方法)以阻止地震作用下与塔楼碰撞和甚至坠落。

应根据塔楼与连接体之间的特点，选择合适的连接形式。一般而言，强连接在结构分析和构造上更简单，应优先采用。当强连接无法满足设计需求时，可采用弱连接。

2.2.3连接体的计算流程

在实际设计过程中，可先单独进行连接体建模，验算在静力荷载下连接体的内力和变形，同时优化结构形式和构件的尺寸，然后代入整体结构，进行动力荷载的分析，验算整体结构的指标和连接体的抗震性能。需注意连接体所处楼层应按照薄弱层处理，同时为保证计算模型可靠，应采用至少两个基于不同力学模型的三维空间结构分析软件进行整体内力和位移的计算。

2.2.4风荷载及舒适度计算

对于连体结构，需尤为关注抗风设计，否则在强风作用下，连体变形过大或振感明显，将严重影响使用体验。特别对于超高层中的连体结构，周边环境复杂，建筑间距小，相互干扰效应明显，必要时，需进行风洞试验，确定用于设计的风荷载。

连接体的自振频率可由结构分析软件直接算出。峰值加速的计算一般需根据连接体的使用功能，确定相应的动荷载，然后根据高规附录A中的简化方法或直接在计算模型中施加荷载计算得到[1]。当指标不满足规范时，一般可采用改变连接体的自重、调整刚度以及增大阻尼等措施满足舒适度设计的要求。

另外在连接体的楼板平面内设置水平交叉支撑杆能有效的增强其水平抗侧刚度。该措施能够使得弦杆、支撑与楼板共同传递水平力，增强连接体的整体抗弯性能、抗剪性能以及轴向变形能力，同时使实际结构更符合分析模型中的刚性板假定。

2.2.5竖向地震计算

连接体一般位于高层建筑的较高位置，跨度较大，竖向地震作用明显，现有的震害资料也表明，连接体的破坏与竖向地震作用密不可分，因此宜采用竖向地震反应谱法以及竖向地震时程分析法计算其竖向地震作用。

2.2.6抗震构造措施

连接体以及与连接体相连的构件受力复杂，在地震作用下，易形成薄弱部位，设计时必须予以加强，提高其承载力和延性。可参照高层建筑混凝土结构技术规程中10.5条的要求，加强连接体及相关构件的抗震构造措施[1]。

对于较为复杂的超限高层结构，可根据建筑的重要程度、经济性等要求，对关键构件、普通竖向构件以及耗能构件进行性能化设计。连接体的楼板作为关键的传递水平力构件，应控制弹性板中的主拉应力：在小震标准组合下楼板主拉应力小于混凝土抗拉强度标准值，保证楼板不开裂；在中震标准组合下楼板内钢筋不屈服，保证楼板不断裂。

3 连体结构的案例分析

3.1 工程介绍

工程位于深圳市，抗震设防类别为重点设防类别(乙类)。场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期0.35 s，多遇地震下结构的阻尼比取为0.05。地下室层数为2层，平台中心由两栋15层高的塔楼组成，总结构高度为76 m，两塔楼在1层、2层通过裙房连接，同时在8层、9层设置空中连接体。塔楼采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构体系，抗震等级为一级；连接体采用钢框架，抗震等级为二级，嵌固于地下室顶板。本工程属于超限高层建筑结构。

综合考虑抗震设防类别、设防烈度、结构特殊性、建造费用、以及震后损失程度等各项因素，塔楼抗震性能目标整体定为D类，对关键构件定为C类。

连体部位框架柱抗震构造措施提高至特一级、桁架为一级。连接空腹桁架的框架柱抗震构造措施提高至特一级。空腹桁架其余部分为一级。对8层～10层连体部位相关的钢桁架及相邻一跨框架提出的性能目标为小震受弯、受剪弹性，中震受弯、受剪弹性，大震不屈服。

3.2 整体计算

采用YJK及MIDAS BUILDING进行分析校核。分析时采用振型分解反应谱法计算地震作用，并考虑了偶然偏心和双向地震作用，采用CQC法进行振型组合。计算得到：结构的第一阶模态为Y向平动，第二阶模态为X向平动，第三阶模态为扭转振型。在多遇地震下，层间位移角部分结果有极小偏差，但变化规律、基本形态均相同(见图1)。

3.3 连接体计算

3.3.1连接体布置

整个连接平台竖向宽度30 m，跨度为29.4 m，沿跨度方向南北两侧布置两道主桁架，中间由于开洞和使用功能要求，采用空腹桁架，桁架间距为8.4 m。主桁架上弦杆采用H1 200×500×30×60，中弦杆采用H1 500×500×40×60，下弦杆采用H900×500×200，斜腹杆采用箱型700×500×50×50，竖腹杆采用箱型500×500×50×50(见图2)，均采用Q390GJ钢材。连接体板厚h=150 mm。

由于连接体跨度达29.4 m，负载面积大，且考虑到在风荷载及地震作用下相对变形大，支座处的拉力与剪力过大，因此钢桁架与塔楼采用强连接的连接形式。钢桁架弦杆通过与两端混凝土柱中的钢骨等强焊接形成刚接。

3.3.2楼板设计

计算结果显示，各楼层楼板除在局部楼板应力集中处外，在小震标准工况下的主拉应力均小于2.01 MPa，8层连体部位局部应力略大于2.01 MPa，可考虑将8层～10层连体部位及相邻一跨处楼板混凝土强度等级提高至C40，使其能够满足小震弹性的性能目标。根据中震下计算得到的最大主拉应力设计楼板配筋，使楼板满足中震不屈服的性能目标。

3.3.3舒适度验算

连接体根据计算结果显示自振频率为3.42 Hz，满足规范要求的不小于3 Hz；连接体主要的建筑功能为办公休闲区，荷载激励主要为人行走荷载，计算得到的竖向振动加速度峰值为0.036 m/s2，满足规范要求的不大于0.05 m/s2。

3.3.4竖向地震验算

补充了小震下连体桁架弦杆的最大竖向地震作用效应与重力荷载效应比值，并且补充了小震与中震的弹性时程分析，统计了大跨桁架中最不利点在地震作用下的位移，并与CQC法进行比较。计算显示：小震下桁架最不利点的最大竖向位移为5.51 mm，挠度为1/5 335；中震下桁架最不利点的最大竖向位移为15.78 mm，挠度为1/1 863。均满足规范对结构变形的限值。

4 结语

连体结构根据其结构特性，应注重塔楼自身的抗侧、抗扭设计，连接体作为关键构件，应结合形体、功能、经济性等要求选择合理的桁架形式以及与塔楼的连接方式，同时需对其进行抗震、抗风、抗连续性倒塌、舒适度等性能验算，并提高与之连接构件的构造措施，确保连接体与塔楼协调工作。