广州某高层住宅连体结构设计

朱 振，杨卫杰

（1、广州地铁设计研究院股份有限公司 广州 510620；2、广州市设计院 广州 510620）

0 引言

近年来，连体结构因其特殊的建筑效果，应用越来越广泛。连体与塔楼之间的连接方式分为刚性连接和柔性连接2种［1］。柔性连接是指连体一端与塔楼之间铰接，另一端设滑动支座，连体可以跟随一侧塔楼作一定的水平移动，从而释放水平力；或者连体两端均设滑动支座，与之相连的塔楼独立工作；此2种情况下，连体结构均受力较小［2］。但柔性连接时连体在强地震作用下，滑动位移较大，连接体容易滑落或与主体结构发生碰撞［3］。刚性连接由于将两侧塔楼连成整体，刚度较大，可以较好地协调受力和变形，保证结构安全性，但受力也较为复杂［4］。

1 工程概况

某高层住宅楼位于广州市荔湾区，地上建筑面积约29 700 m2，地下建筑面积约4 000 m2。地下3层为整体地下室，地上30 层，结构总高98.4 m，在24～30 层处做连体结构，连体跨度约11.2 m。工程效果如图1所示。

图1 结构效果及YJK模型Fig.1 Structure Effect and YJK Model

由于本工程连体跨度11.2 m，综合考虑建筑物使用功能及后期维修养护等，最终采用刚性连接方案。标准层和连体层平面布置如图2～图3所示。

图2 标准层结构平面布置Fig.2 Standard Floor Structure Plan

图3 连体层结构平面布置Fig.3 Floor Plan of Connected Layer Structure

本项目为剪力墙结构体系，标准层单塔长向约36 m，Y向约21 m，连体层长向约83 m。为了不使两主轴方向侧向刚度相差过大，剪力墙墙肢尽量沿Y向布置，并在电梯间、楼梯间周边布墙，形成筒体效应，对筒内楼板加强。负3层到首层剪力墙厚350 mm、混凝土强度C55；上部楼层逐步优化到厚200 mm、混凝土强度C30。

本工程抗震设防烈度7 度，设计基本地震加速度0.1g，场地类别Ⅱ类，设计地震分组第一组，特征周期0.35 s。修正后的基本风压0.5 kN/m2，体型系数1.4，地面粗糙度类别B类，两侧塔楼均为剪力墙结构。

2 连体结构设计

由于本结构属于体型复杂结构，根据《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》［5］应至少采用2 种不同力学计算模型的软件进行整体计算，本文选取了Midas Gen 和YJK 软件进行对比分析。对连体区域楼板按弹性板6考虑，进行楼板应力分析。

3 整体分析结果

采用YJK 软件计算结构在恒载、活载、风荷载和小震作用下的结构动力特性，具体指标如表1所示。可以看出，结构一阶振型为Y向平动，二阶振型为X向平动，与结构刚度分布一致；三阶振型表现为扭转，扭转因子1.00，结构具有较好的抗扭刚度，周期比为0.85。在相同输入参数下，Midas Gen 和YJK 软 件 的 分 析 结果如表1所示。

表1 结构动力特性Tab.1 Structural Dynamic Characteristics

经2 种不同软件的对比分析，结构相关指标均能满足文献［5］要求。地震作用下，X向结构最大层间位移角为1/1 462（17层1塔），最大位移比为1.07（模型4层1塔）；Y向结构最大层间位移角为1/1 413（22层1 塔），最大位移比为1.20（模型4 层1 塔）；此外补充计算了沿两翼方向的地震作用并考虑最不利地震方向，得到X向最大层间位移角1/1 417（地震方向34°），Y向最大层间位移角1/1 376（地震方向56°）。

风荷载作用下，X向结构最大层间位移角为1/3 260（15 层1 塔），最大位移比为1.19（模型5 层1 塔）；Y向结构最大层间位移角为1/1 043（18层1塔），最大位移比为1.04（模型33层1塔）。

地震作用下X向刚重比为3.88、Y向刚重比为4.02；风荷载作用下X向刚重比为4.08、Y向刚重比为3.77，刚重比均大于文献［5］5.4.1 条规定的1.4 和2.7，满足整体稳定的要求，计算时可以不考虑P-△效应。

4 振型分析

由于双塔形成连体结构后，结构长宽比较大（≈4），为保证结构两主轴方向侧向刚度相对均匀，剪力墙布置时尽量沿Y向布置［6-7］。且质心和刚心基本重合，结构具有良好的抗侧刚度和抗扭刚度。结构在地震作用的前三阶振型如图4所示。

图4 结构前三阶振型Fig.4 First Three Modes of the Structure

5 弹性时程分析

根据文献［5］4.3.4条采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。按照符合Ⅱ类场地以及设计地震分组第一组对应的特征周期Tg=0.35 的原则进行选取，为使多组时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，局部选取地震波的特征周期在0.30～0.45 s之间。人工模拟的加速度时程曲线采用YJK 软件自带或生成的特征周期为0.30～0.35 s的人工模拟的时程曲线［8］。

按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于5组实际强震记录和2组人工模拟的加速度时程曲线，计算结果取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，其加速度时程的最大值按《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》［9］表5.1.2-2采用。弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。

7条波的多遇地震时程分析与规范反应谱的对比结果如图5和表2所示。

图5 规范谱与反应谱对比Fig.5 Comparison of Gauge Spectrum and Response Spectrum

表2 弹性时程分析计算结果Tab.2 Elastic Time History Analysis and Calculation Results

6 楼板应力分析

通过有限元方法对连体区域及相关范围进行楼板应力分析，以保证结构在小震下保持弹性状态，本工程对大震作用补充计算，以保证连体结构在强震作用下不失效［10］。结果如图6～图7所示。

图6 小震下第26层（标准层11层）楼板应力等值线Fig.6 Floor Stress Contour of the 26th Floor（11th floor of the standard floor）under a Small Earthquake （N/mm2）

图7 大震下第26层（标准层11层）楼板应力等值线Fig.7 Floor Stress Contour of the 26th Floor（11th floor of the standard floor）under a Major Earthquake （N/mm2）

根据计算结果，在小震作用下，除部分应力集中区域外，楼板拉应力均小于C30 混凝土的轴心抗拉强度设计值1.43 MPa。在罕遇地震作用下楼板除部分应力集中区域外，楼板拉应力均小于C30 混凝土的轴心抗拉强度标准值2.01 MPa，对局部薄弱部位楼板进行配筋加强。

7 构造措施

⑴为协调两侧塔楼变形，加大连接体区域及相邻一跨板厚至150 mm，板配筋双层双向。

⑵连接体区域X方向框架梁延伸一跨至塔楼范围内，并对通长筋加强。

⑶加大与X方向连接体框架梁相连的短墙肢厚度至400～600 mm，对此墙肢按柱建模计算配筋。与连接体相连的其余墙肢厚度不小于250 mm。

⑷按文献［5］对连接体及与连接体相连的结构构件在连接体高度范围及上、下层，抗震等级提高一级。

通过对结构竖向构件布置和连体区域等采取的加强措施，将《超限高层建筑工程设防专项审查技术要点》附件1 表2 的不规则项控制在了2 项以内，具体为楼板不连续和构件间断（连体类）。

8 结语

连体结构受力复杂，应根据连体跨度、两侧塔楼高度及结构形式等选取合适的连接形式。采取刚性连接时，结构整体性较好，但由于连接体同时也承担了约束两侧塔楼变形和受力的作用，对连接体及相连区域梁板整体性应着重加强。