某超限高层连体办公楼结构设计探析

杨志荣 曹坤 王薇

（南京金宸建筑设计有限公司，江苏南京 210000）

超限高层的高度和层数并没有明确的规定，需视建筑的实际结构而定，例如，混凝土框架剪力墙结构的高层建筑，一旦超过120m，即可判定为超限高层，而对于有错层的高层建筑，一般超过80m即可判定为超限高层。但无论是何种结构的超限高层，由于建筑本身很高，必须通过高质量的工程技术保证建筑的安全，尤其在抗震性能方面需格外注意。

1 工程概况

为研究超限高层楼房的结构设计，本文以某超限高层办公楼（下文简称A高层）为例，A高层地上分为两栋塔楼，两栋楼呈镜像布置，同时，两栋楼的第15层至第18层通过三层钢结构连接体连接，两栋楼层数均为21层，楼高度为97.75m，主要层高为4.2m及4.4m，并且A高层包括2层地下室，地下室作为A高层的车库。A高层立剖面如图1所示。

图1 A高层立剖面

2 结构布置和地基基础分析

2.1 结构布置分析

A高层的结构布置包括主要竖向构件布置、梁系布置、连接体布置。竖向构件主要指柱、墙，在竖向构件布置时，需保证构件位置设置的合理性，A高层的主要竖向构件布置情况如下：第一，外围采用截面为1000mm×4000mm的框架柱，由下至上框架柱的布置逐渐减少，同时，下部楼层和连体楼层（15层至18层的连接通道）的框架柱内加设型钢，进一步加固框架柱；第二，将中间的剪力墙围合成桶状，并在下部楼层的剪力墙中设置型钢，型钢的位置设置根据剪力墙的受力情况而定；第三，为提高A高层整体的抗扭性能，减轻建筑受应力和外力变化的变形程度，在整体的竖向构件布置中，可加强两侧竖向构件的布置，从而间接削弱中部的受力[1]。在A高层的梁系布置中，采用的是可与框架柱相连的Y向框架梁和X向框架梁，其中，Y向框架梁规格为600mm×800mm，X向框架梁规格为600mm×1000mm，同时，梁高一般需控制在600mm以内，从而控制刚心偏置的问题。在A高层的连接体布置中，其难点在于两栋楼连体结构的结构选型，由于连体结构位于空中，如果采用弱连接，则可能不利于建筑抗震能力的发挥，同时，考虑到A高层的两栋楼之间镜像对称，在受力时，变形也比较均匀，因此，决定采取强连接设计。基于此，给出连体底层普通模桁架、叠层空腹桁架和叠层混合空腹桁架三种型式的钢桁架结构型，结合工程的实际情况，最终决定选择叠层混合空腹桁架；根据最终选择的布置方案，利用4层弦杆、2排竖腹杆、2排斜腹杆组成叠层混合空腹桁架，杆件的规格为35mm×35mm的方钢管和900mm×700mm×20mm×50mm的H型钢；此外，连体结构的楼板采用钢筋桁架楼承板，底层板、中层板、顶层板的厚度依次为180mm、150mm、180mm。

2.2 地基基础分析

地基作为建筑物下支承基础的土体、岩体，对保证建筑物的坚固耐久性有着重要的作用，必须具备足够的承载力，能承受适当的压力，并且需控制地基的沉降量在一定范围内，从而间接控制建筑物上部的开裂变形，同时，地基还应有防止建筑物倾覆、失稳的能力。基于此，结合A高层上部建筑物的荷载情况，充分考虑施工地的水文地质条件，在地基基础中选择PHC预应力管桩，并确定灰色黏土层作为桩端持力层[2]。同时，考虑到A高层上部建筑包含两栋楼之间的连体结构，而刚性连接的连体结构对沉降差异十分敏感，为保证连体结构的稳定性和安全性，根据我国《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89)，控制桩基中心计算沉降量在70mm以内，并且建筑倾斜不大于0.004mm。

3 结构设计

A高层的结构设计使用盈建科（YJK）建筑结构设计软件，并利用Midas公司的Midas Building设计软件校对核验分析结果。表1为结构补充进行时程分析及性能设计。

表1 项目分析及步骤

3.1 结构计算考虑的问题

结构计算需考虑的问题包括多塔及风荷载，以及施工顺序。在对多塔及风荷载进行整体计算时，采取分块刚性模型（如图2所示），分块情况如下：使两栋楼的第2层、15～18层为一个刚性块，第1层、第3～14层、第19～21层为一个刚性块。同时，结合风力的影响，再将风荷载体型系数乘以1.15（增大系数）[3]。施工顺序需考虑的影响因素有两栋楼塔楼的差异沉降带来的影响，由于A高层所处的工程地土壤主要为软土，因此，在施工顺序设计中，首先应将两栋楼塔楼的主体结构封顶，之后再进行连体结构的吊装和施工。

图2 A高层建筑分块刚性模型

3.2 抗震超限情况及措施

由于工程本身存在着较多不规则情况，根据此类问题，应采取科学合理的解决措施，A高层的各项抗震超限问题及解决措施如下：第一，结构连体问题。提高与连接体相关的结构构件的抗震等级，并进行相应的性能设计，以保证结构连体的稳定性与安全性，同时，需加强连体楼板设计，使其能在中等以下的地震中均能保持一个相对安全、稳定的状态；第二，刚度及受剪承载力突变。在计算刚度突变及受剪承载力突变的楼层地震作用剪力时，根据突变的影响，将其再乘以1.25的放大系数[4]；第三，楼板不连续。加强底层楼层设计，并加强大堂、中庭上空开洞的洞口周边梁配筋；第四，底部加强区。进行性能化优化设计，按照中级地震的程度进行设计；第五，结构连体风力互相干扰。通过模型定义多塔分析连体结构立面开洞对迎风面的影响，并将A高层两栋建筑的体型系数各乘以相互干扰增大系数，最后对数据进行计算分析；第六，差异沉降对连体的影响。优化施工顺序，先进行塔楼主体结构的封顶，再进行连体结构的吊装和施工。

3.3 结构分析主要设计结果

3.3.1小震CQC弹性分析

经过对小震CQC弹性分析，计算结果表明A高层的各项指标均符合相关规范和要求，计算信息见表2。

表2 YJK和MIDAS结构周期对比

其中，整体模型的第一扭转周期和第一平动周期之比为0.85左右，符合相关规范要求，这表明A高层的连体结构有良好的抗扭强度，可以抵抗一定程度的扭转。并且，由于连体结构采用了刚性连接，这使得A高层的两栋楼的振型可基本对称，因此，结构相对也比较稳定。但根据对各楼层刚度和受剪承载力的分析，结构底层和连体部分的变化比较大，基于此，为保证A建筑各楼层的刚度和承载力符合要求，可采取将地震作用剪力放大1.25倍的方式，对相应楼层部分进行加强设计[5]。

3.3.2中震下构件性能分析

采取振型分解反应谱法对中震下构件性能进行分析，首先，对底部加强部位的竖向构件进行复核，复核内容为中震抗剪弹性及抗弯不屈服情况，为满足复核内容要求，后续可提高剪力墙竖向分布配筋率，并在剪力墙的部分位置增设型钢，从而增强剪力墙性能；之后，对连接体节点进行应力分析，结合整体模型第一扭转周期与第一平动周期的比，构件应力比应不超过0.85，同时，考虑到楼板开裂的情况，忽略楼板厚度，按0mm计算，基于此，建立有限元分析模型进行连接体节点应力分析[6]；最后，对连接体桁架斜杆上的节点按中等级地震进行弹性分析，分析的节点为全钢节点和钢与钢筋混凝土组合节点，计算需结合钢结构材料的非线性与几何非线性特征。

3.3.3连接体部位补充分析

连接体部位补充分析内容包括竖向地震作用分析、楼板应力分析、楼板舒适度分析。①竖向地震作用分析：由于A高层为超限高层，包含约为29m跨度（规范跨度24m）的局部连体结构，因此，需对连体结构进行竖向地震作用验算；②楼板应力分析：由于连接体楼板和其相邻的塔楼楼板的受力比较复杂，因此，在进行整体模型计算时，将此两种楼板定义为弹性楼板，之后进行有限元应力分析[7]；③楼板舒适度分析：首先需结合A高层的用途，其本身作为办公楼使用，因此，连接体部分的主要用途是办公室，基于此，采用施工安全计算软件（PKPM）分析其楼板舒适度。

4 结语

通过以上分析得出，A高层为双塔高位连体高层结构，其结构设计内容如下：第一，两栋楼的连体部分采取钢结构以强连接的方式进行连接，型式采取叠层混合空腹桁架；第二，使用YJK和Midas Building软件进行计算分析，计算分析内容包括小震、中震和大震分析，以及风荷载弹性分析和连体结构分析。根据A高层的结构分析与设计可知，在超限高层建筑办公楼的结构设计中，应采取合理的结构布置，根据建筑的受力情况，对结构相对薄弱的位置进行加固，并结合相应的施工技术手段进行性能化设计，例如在连体部分采用合适的桁架型式，同时，应大量应用抗压力强、坚固的建筑材料，从而使建筑整体能获得更好的抗震能力。