某超限连体结构的性能化设计

王宇轩，戴 琳，陈培威

(1.浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310028； 2.汉嘉设计集团股份有限公司，浙江 杭州 310005)

1 工程概况

本项目位于福建省宁德市，项目总建筑面积约54 000 m2，其中地上建筑面积约45 000 m2，地下建筑面积约8 600 m2。建筑立面图见图1。

本项目下部为一层整体大地下室(层高5.5 m)，主要功能为停车及食堂加工区，部分区域战时为人防单元。上部各单体均以地下室顶板面为嵌固端。地上建筑部分由南侧12层的主楼(裙房3层)及北侧3层的附楼组成。其中主楼的主要功能有办公、宣传、培训、档案、倒班宿舍等，附楼的主要功能为职工食堂。主楼建筑高度52.2 m，附楼建筑高度13.5 m。

连体主楼地上共12层，总高52.2 m(底层层高6.0 m，三层层高4.5 m，其余标准层层高4.2 m)，主要功能为办公、培训、技术用房等。1层～9层为东西两个单体塔楼，并在10层～12层通过四榀桁架(北侧两榀跨度为26.6 m、南侧两榀跨度为42.8 m)形成的连接体连结在一起(两单体塔楼形体对称，动力特性接近，为连体创造良好的条件)[1]。整体结构采用混凝土框架-剪力墙结构，全现浇混凝土梁板体系，剪力墙主要集中布置在结构的端部及连接体两侧[2]。

2 结构体系

连体结构按连接方式的不同可以分为两大类：强连接和弱连接。《高规》中提出：连体结构与主体结构宜采用刚性连接，是由于连体结构的连体部位受力复杂，连体部分的跨度也一般较大，采用刚性连接在结构分析和构造上更容易把握。而当两侧塔楼的结构动力特性存在较大差异时，如采用强连接，则难以协调连接体两侧塔楼的整体受力和变形。此时可采用弱连接，如：采用隔震支座+黏滞阻尼器。当采用弱连接时需要注意的是支座滑移量需满足大震情况下的位移要求，采取防坠落措施。

本项目由于两单体塔楼形体对称，动力特性接近，优先考虑采用强连接的方式。

连接体部分与主楼采用刚性连接，具体为连接体部分的底部两层采用钢桁架形式，且钢骨伸入两侧主楼内各一跨并可靠连接(即两侧主楼内一跨采用钢骨混凝土梁，两侧主楼内连体处边柱采用型钢柱)，连体部分的上部二层为钢框架。

为保证连接体部位结构内力的有效传递，加强整体性，连接体范围内楼板均进行了加强，连体桁架下弦楼板及屋顶层楼板加至180厚，其余楼层加至150厚；同时连接体两侧主楼内一跨的楼板在连体高度及其下一层加强为150厚。

底部三层裙房为两个高层单体的大底盘，产生竖向体型收进。裙房屋面楼板加厚至150 mm，且体型突变部位上、下层楼板也加厚至最小120 mm。连体桁架南侧两榀剖面示意图见图2，桁架参数见表1。

表1 桁架参数

2.1 性能化设计

本项目属于体型特别不规则性高层建筑，根据性能化抗震设计的概念，综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素，抗震性能目标选用“C”，即多遇地震下结构达到性能水准“1”的要求，设防烈度地震下达到性能水准“3”的要求，预估罕遇地震下达到性能水准“4”的要求，详见图3。

地震烈度水准多遇地震设防烈度地震预估罕遇地震性能水准134震后性能状况宏观损坏程度损坏部位关键构件普通竖向构件耗能构件继续使用的可能性完好、无损坏轻度损坏中度损坏无损坏轻微损坏轻度损坏无损坏轻微损坏部分构件中度损坏无损坏轻度损坏、部分中度损坏中度损坏、部分比较严重损坏不需修理即可继续使用一般修理后可继续使用修复或加固后才能继续使用

本工程拟采用的不同地震烈度水准下的具体性能设计指标，见图4。

地震烈度水准多遇地震设防烈度地震预估罕遇地震层间位移角限值1/8001/4001/100关键构件连体钢桁架满足弹性设计要求弹性弹性与连体相连的型钢混凝土柱、剪力墙满足弹性设计要求抗剪弹性抗弯不屈服不屈服剪力墙(底部加强区)满足弹性设计要求抗剪弹性抗弯不屈服不屈服体型收进部位上下各2层周边竖向构件满足弹性设计要求抗剪弹性抗弯不屈服不屈服普通构件其余部位剪力墙、柱满足弹性设计要求抗剪弹性抗弯不屈服允许部分构件屈服进入塑性,斜截面满足受剪面控制条件普通梁满足弹性设计要求不屈服允许部分构件屈服进入塑性,斜截面满足受剪面控制条件连体部位楼板,3层裙房顶板满足弹性设计要求不屈服允许屈服进入塑性,控制塑性变形整装分析软件盈建科YJKMidas Building盈建科YJK盈建科YJKPKPM-Sausage分析方法反应谱法、弹性时程分析反应谱法反应谱法、弹塑性动力时程分析

2.2 针对超限的措施

根据本项目的具体特点，本工程主要采取以下措施来进行抗震加强：

1)计算措施。采用YJK和Midas Building两个结构软件对小震下计算结果进行分析比对，并以弹性时程分析作为补充验算；采用YJK软件进行中震、大震下的性能设计，保证关键构件能达到预期性能目标；采用PKPM-Sausage软件进行弹塑性动力时程分析，复核结构弹塑性层间位移，判断结构的薄弱部位、结构构件的损伤程度，对关键部位和关键构件进行有针对性的加强，确保大震安全。

2)连体部位的加强措施。a.连接体采用刚性连接，为保证刚性连接，在连接体两端及其内伸主体一跨位置设置型钢混凝土柱，型钢柱间用型钢梁连接；同时桁架弦杆加大截面，与型钢柱刚接；连接体两侧的主楼内布置了剪力墙，用以控制连接体两侧的位移和变形，并承受连接体楼板传递的水平地震力；将连接体钢桁架及与其相连的型钢柱、剪力墙设为关键构件，抗震等级提高一级进行加强，型钢柱在连接体高度范围及其上、下层，箍筋全柱段加密配置，轴压比限值按其他楼层框架柱的数值减小0.05采用；与连接体相连的剪力墙在连接体高度范围及其上、下层设置约束边缘构件。b.小震、中震计算中指定连接体楼板为弹性板，进行楼板应力分析，并采取措施加强楼板(楼板加厚、配筋加强)；同时加强连接体两侧主楼内一跨的楼板(增加板厚、加强配筋)；大震下连接体楼板按“零板厚”，以考虑楼板失效对连接体钢构件的影响，对连体桁架及周边关键构件进行验算。

3)竖向构件收进的加强措施。a.加强突变层的楼板厚度和配筋。裙房顶板厚加大至150 mm，配筋率不小于0.25%，并在计算中按弹性板复核楼板应力。b.上下 层结构楼板也适当加强构造措施，楼板厚度不小于120 mm，配筋率不小于0.25%。c.体型收进部位上下各两层塔楼周边竖向构件的抗震等级提高一级，并加强收进部位以下二层的周边竖向构件配筋和轴压比控制。

2.3 抗震等级调整部位

抗震等级调整部位见表2。

表2 抗震等级调整部位

3 结构计算要点

3.1 楼板应力分析

《高规》5.1.5条要求，当楼板可能产生较明显的面内变形时，计算时应考虑楼板面内变形影响。本项目10层～12层存在连体，连体部位的楼板受力相当复杂：1)两个单体塔楼间的水平地震力需通过连体部位进行传递；2)由于连体跨度大(42 m)，考虑竖向地震作用。因此在YJK软件计算中，对连体所在层楼板指定为弹性板6，以便对楼板应力进行分析。该单元既有面内刚度又有面外刚度，且采用有限元计算弹性板荷载，同时考虑梁与弹性板变形协调，此时弹性楼板的配筋不仅考虑弯矩的作用，还考虑板单元受到的拉力或压力的作用，按压弯或拉弯构件分析，从而提高了精确性。图5为十层底板在地震工况下的楼板应力。

3.2 剪力墙墙肢的偏心受拉验算

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》第十二条第四款，“中震时双向水平地震下墙肢全截面由轴向力产生的平均名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值时宜设置型钢承担拉力，且平均名义拉应力不宜超过两倍混凝土抗拉强度标准值(可按弹性模量换算考虑型钢和钢板的作用)，全截面型钢和钢板的含钢率超过2.5%时可按比例适当放松。”

本工程剪力墙全截面受拉主要是地震作用下的楼层弯矩所引起，因此底部加强区的剪力墙，尤其是结构边、角部的剪力墙全截面平均拉应力会较大，考虑到底部二层所有剪力墙的截面、配筋完全相同，但二层的轴向拉力明显小于底层的轴向拉力，所以本次只验算底层剪力墙墙肢的全截面名义拉应力。

用盈建科软件进行偏拉验算，剪力墙未输出数值则代表在中震下该剪力墙仍受压，不需验算其偏拉。所输出的底层各墙肢的数据依次为：ftk与比值、轴向拉力、强编号，经计算，地震引起的拉应力最大平均拉应力为1.86 MPa，小于混凝土抗拉强度标准值(C30(最小)，ftk=2.01 MPa)，满足中震下的关键构件的承载力验算要求。

3.3 大震性能设计

罕遇地震作用下，按大震不屈服的要求，对关键构件进行验算。大震计算时，在结构总信息中选择不计算风荷载，地震影响系数最大值取为0.28，周期折减系数取1.0，连梁刚度折减系数取0.3，阻尼比取0.06，与抗震等级相关的内力调整系数程序已自动设为1。

在盈建科软件中性能设计菜单中勾选“大震”“性能设计(高规)”“性能水准4”。用该计算结果来验算关键构件是否达到预设的抗震性能目标。此外，考虑到大震时连接体部位的楼板可能破坏失效，按最不利情况，在模型中将连接体部位的楼板板厚均设为0，将楼板自重加入到恒载中进行分析，此时，楼板没有刚度，仅起到导算荷载的作用。

3.4 楼层板舒适度验算

根据规范要求，楼盖结构应具有适宜的舒适度，楼盖的竖向振动频率不宜小于3 Hz。用YJK软件，采用迭代Ritz向量法，通过有限元计算分析各楼层楼板自振频率，得到各楼层竖向振动频率值如表3所示，可见均满足规范要求。

表3 楼板振动频率

从楼板振型图可见，楼层振动主要集中在连接体楼板处。故单独对该处楼板进行适度验算。根据《高规》附录A，本次采用时程分析法计算楼盖结构的竖向振动加速度。

本工程连接体区域楼盖采用钢-混凝土组合楼盖，建筑功能主要为活动室，根据《高规》附录A，参照室内人行天桥取值，楼盖结构阻尼比取为0.02，人员行走作用力取0.42 kN。计算时取连续步行荷载时程曲线如图6所示。

楼盖采用弹性板，按有限元划分，加载2条荷载轨迹线，如图7所示。

工况1模拟人沿走廊从连接体一端走向另一端，计算所得的楼盖竖向振动加速度包络图如图8所示。

由图6可知，楼盖最大加速度为0.115 m/s2，小于《高规》3.7.7条中的峰值加速度限值0.15 m/s2，满足要求。

4 结论

1)YJK和Midas Building两种不同计算内核的结构设计软件计算结果基本一致，表明计算模型符合实际工作状况，计算结果合理有效，可作为工程设计的依据。结构整体弹性分析结果表明，结构主要计算指标，包括剪重比、刚重比、周期比、位移比、层间位移角等均满足规范要求。多遇地震下各构件均能满足弹性设计要求，构件截面取值合理，结构体系选择恰当。

2)弹性时程计算所选用的地震波与规范反应谱“在统计意义上相符”，底部剪力满足规范相关要求。计算结果表明，反应谱法计算的结果仅在出屋面层需乘以放大系数1.02。

3)设防烈度地震作用下，结构的最大层间位移角小于预设的1/400限值目标，说明结构整体刚度较为适宜；设防烈度地震作用下，连体部位的钢构件应力比均小于1.0，可认为均处于弹性状态，符合预定的抗震性能目标；采用YJK软件对结构在设防烈度下进行不同性能水准的计算分析，并将配筋结果与多遇地震下的配筋结果取包络值进行设计，可以实现不同构件预定的抗震性能目标。

4)罕遇地震作用下，结构弹塑性层间位移角小于规范限值1/100，结构整体刚度较大，高于预期性能目标；罕遇地震作用下，结构塑性变形发展的顺序是：楼面梁→剪力墙→框架柱，结构整体损伤程度不重，大部分构件为轻微～轻度损伤，连接体钢桁架无损伤。各构件的损伤情况符合预先设定的抗震性能目标。

综上所述，本结构设计合理，能够满足规范要求，做到“小震不坏、中震可修、大震不倒”。