某高层办公楼连接体结构方案选型探析

张开莹

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

当前高层建筑设计中，越来越多出现双塔或者多塔之间的连体结构。大跨度的连体结构，既能连接起不同的平面空间，又丰富了建筑立面，成为建筑造型的亮点和记忆点。

连接体一般采用轻巧的钢结构，常用结构形式有桁架式、空腹桁架式、混合桁架式、悬臂式、梁式等[1-5]。连接体结构和主体结构的连接又分为两种：刚性连接和滑动连接。不同的连接体结构形式，其受力形态不同，对塔楼的影响也相差较大。本文结合福州市某高层连体办公楼的工程实例，对连接体的结构选型做分析对比。

1 工程概况

办公楼位于福州市仓山区，1#和2#为双塔连体建筑，效果图如图1所示。地下一层，地上十层，首层层高4.5 m，标准层层高5 m，建筑总高度49.5 m。塔楼平面镜像对称，标准层采用带柱帽的空心楼盖，以达到较好的使用净高，典型的结构平面如图2所示。建筑八层、九层设高空连廊，跨度33.6 m，立面高度10 m，楼板平面宽度28.3 m。

(b)八层结构平面图图2 主要楼层结构平面图

建筑抗震设防类别为标准设防类(丙类)，抗震设防烈度为7度(0.01g)，设计地震分组第三组，建筑场地类别Ⅲ类。50年一遇的基本风压为0.7 kN/m2。两栋塔楼采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，剪力墙的抗震等级为二级，框架的抗震等级为三级，连接体及与连接体相连的结构构件在连接体高度范围及其上、下层，抗震等级提高一级[6]。

作为超限高层建筑，综合考虑项目的结构特点、震后修复难易程度等因素，将其中关键构件(连接体钢结构、与连接体相连的框架柱、局部连层柱)的抗震性能目标水准定为C级，普通竖向构件和耗能构件的抗震性能目标水准定为D级。结构设计时还采取了以下这些加强措施：①连接体及与连接体相连的竖向构件考虑竖向地震作用；②连接体构件在小震下的应力比不超过0.75；③与连接体相连的竖向构件的轴压比，按抗震等级一级的限值控制；④连接体及塔楼内两跨的楼板板厚不小于150 mm，进行有限元应力分析，在小震下楼板拉应力不大于混凝土抗拉强度标准值，中震下楼板钢筋应力不大于钢筋抗拉强度设计值；⑤连接体做正常使用的舒适度验算。

2 连体结构选型

2.1 初选4种连体结构方案

考虑到建筑立面的完整性，连接体的结构没有选择需要设置抗震缝的悬臂式和滑动支座连接，而是采用整体刚性连接的形式。本项目两侧塔楼具有相同的体型、平面布置和刚度，而且连接体的尺寸较大，刚度大，也适合与塔楼形成一个共同受力的整体，除了承担自身的荷载，还可以协调两端塔楼的变形。

与两侧塔楼的柱网对应，设四榀主结构，间距7 m～11.2 m，各层钢梁延伸入两端塔楼一跨，通过局部型钢混凝土梁、柱的形式做可靠连接，楼层梁板作为平面外连接。根据建筑立面和内部净高的要求，9层楼面梁的梁高不超过0.6 m，8层楼面和10层屋面梁的梁高可以加大到不超过1.2 m。若仅用单层的梁式受力，跨高比显然太大了，而用三层结构梁共同组成桁架式受力的话，中间层即9层楼面梁受力较小，以承担本层竖向荷载为主，0.6 m高度就可以满足要求，受力大的桁架上弦、下弦截面可取为1.2 m。

按此思路，筛选出空腹桁架、加斜撑的空腹桁架、加拉杆的空腹桁架和跨层钢桁架这四种结构方案，如图3所示。采用盈建科软件整体建模，分别对比结构的整体动力特性、连接体的变形及构件内力、塔楼相关构件的内力。4种方案的构件截面取为一致，上下层采用600×1200的箱型梁，中间层采用500×600箱型梁，立柱或斜杆采用600×600的箱型截面。其中，空腹桁架方案的柱距为4.2 m，其余3种方案增加了斜向腹杆，则竖向立柱的柱距加大至8.4 m。

(a)方案1空腹桁架

(b)方案2加斜撑的空腹桁架

(d)方案4 跨层桁架图3 电算模型立面图(7层以上)

2.2 整体动力特性比较

采用振型分解反应谱法，计算四种方案的自振周期(表1)。4种结构形式的前三阶振型，均为结构的整体振动，且方向一致。第一振型为长方向X向的平动，第二振型为短方向Y向的平动，第三振型为整体扭转。可见，四种连体形式均具有较大的刚度，足以起到协调两塔楼变形的作用。前三种结构方案的自振周期基本一致，第4种跨层桁架的第一自振周期T1值最小，其x向的抗侧刚度最大，但扭转为主的第一自振周期T3与平动为主的第一自振周期T1之比达到了规范限值0.9[7]，说明中部结构的刚度过大，使得整体抗扭刚度偏弱。

表1 结构自振周期

2.3 连体结构挠度比较

表2列出四种结构方案在竖向荷载标准值作用下的跨中最大挠度，均小于规范规定的挠度允许值[8]。可见，结构竖向变形以永久荷载作用为主；方案4跨层桁架的竖向刚度最大挠度最小；方案2、3因为在端部设置了斜腹杆，可以把部分竖向荷载通过斜腹杆的轴力直接传到两端的框架柱上，传力途径多了，横梁的挠度也较小。而方案1的空腹桁架虽然加密了竖杆，用钢量已经大于方案2、3，但竖向荷载仍要全部通过横梁传递到支座，横梁竖向变形最大。

表2 竖向挠度值

2.4 连体结构的构件内力分析

选取受力最大的中间榀桁架的计算结果进行对比，图4为4种结构方案在恒载工况下的弯矩图、轴力图，表3分别列出恒载工况下弯矩、轴力最大值及按小震设计时构件的最大应力比。

(a)方案1弯矩图

(b)方案1轴力图

(c)方案2弯矩图

(d)方案2轴力图

(e)方案3弯矩图

(f)方案3轴力图)

(g)方案4弯矩图

(h)方案4轴力图

表3 构件内力值及应力比

内力图可以直观地看出结构方案的受力特点。4种方案均是两层高度整体受力的桁架，下弦(8层梁)受拉，上弦(10层梁)受压，中间层(9层梁)位于和性轴上，轴力基本为0，但不同部位上构件的轴力和弯矩分布还是有很大差别。

方案1空腹桁架的上下弦横梁弯矩都很大，特别是支座弯矩，达到其余3种结构形式的3～4倍，即使受力相对小的中间层横梁，其支座弯矩值也和方案2、方案3的上下弦支座弯矩基本相当。竖杆仅承受很小的压力，但弯矩也较大，从靠近支座处到连体的跨中逐渐减小。空腹桁架的整体弯曲变形和剪切变形，都主要通过构件的弯曲来实现，因此需要构件有足够的抗弯刚度，特别是靠近支座端横梁和竖杆，构件应力比都比较高，截面还需要加强。相应的，作为连接体支座的框架柱受弯也是最明显的，这点对塔楼结构比较不利。

方案2、方案3在空腹桁架两端增加了斜杆，以斜杆的轴向受力来承担桁架整体剪切变形的剪力，各层横梁支座处的弯矩只有方案1的约30%。支座处塔楼柱的弯矩也显著减小，横梁弯矩最大值出现在上下弦跨中，构件的应力比适中。竖杆的弯矩也只有方案1的约40%，而轴力大大增加，更接近于轴向受力为主的桁架腹杆。两个方案中的斜杆方向不同，则斜杆和竖杆的拉压力分布正好相反，方案2的斜撑受压、竖杆受拉，方案3的斜杠受拉、竖杆受压。钢构件的抗拉强度高，受拉杆又可以避免受压杆的失稳问题，因此，这两种方案中的腹杆尺寸，可以依据拉压受力状态做进一步优化。

需注意的是，方案3的斜拉杆拉力集中，数值很大，因此塔楼支座处的楼板局部拉应力也较大，应采取加强板厚、配筋等措施，同时，作为传递拉力的关键构件，内伸至塔楼内的型钢梁也应满足中震弹性的设计要求，确保拉力能可靠传递。对于本项目，塔楼内的建筑净高要求比较高，从连体桁架伸入塔楼内的型钢高度只有500 mm，与连体桁架的弦杆截面差别较大，因此支座处拉力较小的，方案2会更适合。

方案4就是典型的桁架式受力模式，除了支座处，各构件的弯矩都很小，以承担轴力为主，效率更高，各构件的应力比也比其他三种方案都小，因此上下弦梁的截面尺寸还可以优化减小。但此方案的斜杆数量最多，对建筑立面效果和内部空间影响较大。

3 结语

本文结合福州市某连体办公楼的工程实例，对比分析了四种连体结构形式的受力特性，可以得到以下几点结论：

(1)空腹桁架只有横梁和立柱，对建筑平面布置最有利，但整体竖向刚度较差，且构件以弯曲受力为主，弦杆、腹杆、塔楼中与连体相连的柱都需要有足够的抗弯刚度。因此，在实际工程中若选用此方案，结构用钢量也是这4种方案中相对最大的。

(2)在普通空腹桁架支座端增加斜向腹杆，形成混合型空腹桁架，将桁架整体剪切变形的剪力转换为斜杆的轴力，大大减少了桁架上下弦杆的弯矩。此方案增加的杆件数量不多，但传力路径更直接，连接体竖向挠度也明显减小，在结构的合理性和经济性上都具有优势。

(3)混合型空腹桁架是设斜压杆还是斜拉杆对结构整体而言差别不大，两种方案的整体指标基本一致。斜拉杆可以充分发挥钢结构的抗拉强度，避免受压失稳，宜做为优选方案。本项目因塔楼内的梁截面较小，抗拉能力偏弱，所以选用斜压杆方案。

(4)跨层桁架式结构的整体刚度大，传力途径明确效率高，构件可以做到这四种方案中最小的截面尺寸，但斜向杆件多，对建筑方案影响较大。当连接体的体型尺寸较大时，要优化桁架节间距和构件尺寸，避免连体的刚度过大，而使整体结构的扭转效应增大。

(5)连体结构是整栋建筑设计的亮点，结构选型也要充分考虑建筑效果，本项目最终选择了加斜撑的混合型空腹桁架形式，端部斜撑方向和建筑立面的拱形方向一致，而且中部柱距8.4 m，无斜向构件，空间开阔，对外的视野也好。