某超限高层建筑连体结构设计

田继平

本工程由两个塔楼和高位大跨连廊组成的高层连体结构。由于建筑效果要求，两片边榀主受力桁架不能通过框架柱支承，从核心筒相应位置伸出斜柱作为桁架的支承结构，斜柱采用钢管混凝土柱。塔楼核心筒剪力墙及部分框架柱延伸至大屋面之上、连体底标高处，并内置钢骨与连体钢构件相连，连同部分延伸至同一标高的钢筋混凝土框架柱，作为中央两榀连体主受力桁架的支承结构。连接体位置高，跨度较大，且两端塔楼层高与连体结构不同，同时因塔楼与连体采用两种不同类型的材料，给结构设计带来挑战。设计采取多种抗震技术措施，详细分析了连体结构的受力性能。

一、工程概况

本项目位于宁波杭州湾新区，包括两个地块：A地块塔楼地上共23层，地上建筑面积32712.79㎡，建筑功能为超高层开放式办公（一、二层为商业）；B地块塔楼地上共23层，地上建筑面积34754.97㎡，建筑功能为超高层开放式办公及酒店。两栋塔楼大屋面高度分别为93m和93.5m，在大屋面之上从100.7m标高开始以7.5m高的连体结构相连，连体顶部两塔楼分别有局部小屋面，小屋面标高116.1m，属A级超限高层建筑。

二、主要设计参数

本工程设计使用年限为50年，抗震设防烈度为6度（0.05g），安全等级为二级，建筑场地土类别为Ⅲ类，特征周期Tg=0.45s，建筑抗震设防类别为丙类，地基基础设计等级为甲级。设计地震分组为第一组。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），水平地震影响系数最大值为αmax=0.04，周期折减系数取0.85，结构阻尼比为0.05。框架、剪力墙抗震等级为三级，连接体及与连接体相邻的结构构件抗震等级为二级。根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）（2006年版），地面粗糙度按C类考虑，体型系数为1.3，基本风压为wo=0.50kN/m2。

三、 结构连体的处理

结构连体位置为顶部，钢桁架连体标高范围为100.7～110.5m，两栋塔楼之间最大跨度为60m，两侧悬挑最大跨度为20m，连体总长度约180m。由于跨度较大，连体结构采用整层高钢桁架结构实现，沿跨度方向布置4榀钢桁架，桁架贯通整个连体平面，垂直桁架方向布置楼面钢梁作为桁架的侧向支撑和楼面受力结构，中央60m跨度处布置两道整层高次桁架，提高连体结构整体性。塔楼核心筒剪力墙及部分框架柱延伸至大屋面之上、连体底标高处，并内置钢骨与连体钢构件相连。局部小屋面标高为117.7m，通过连体桁架上托楼面钢柱实现。大屋面到连体之间的连体下层、及连体层，层高均较高，大于7 m，而其下标准楼层层高为3.9m，楼层侧向刚度到此处明显变小。且由于连体层有刚度较大的桁架，连体下层抗侧刚度明显小于连体层，竖向构件抗剪承载力计算值也有突变。但是连体层桁架实际受力并非高层结构的抗侧力竖向构件，主要功能是承受大跨结构的竖向荷载，因此连体下层结构侧移刚度和抗剪承载力计算值的突变虽然较大，但此处抗侧力系统侧向刚度特别薄弱。另一方面，由于连体结构为大跨大桁架，面积大、跨度大、自重大，且位于结构顶部，地震作用大，因此对结构抗震有一定不利影响。连体结构侧向迎风面大且位于结构顶部，风荷载作用也较下部楼层要大。

连体下层竖向构件截面和配筋均进行适当加强，按关键构件设计，设计性能目标为中震正截面不屈服、斜截面弹性，大震不屈服。连体桁架主要构件也按关键构件设计，设定性能目标为中震弹性、大震不屈服。连体钢构件与下方钢筋混凝土结构采用内置钢骨进行节点连接，设计时保留适当的安全冗余度。连体层楼面进行其多遇地震、设防地震和温度作用下的楼面应力分析，并参考计算结果进行楼板配筋设计，保证设防地震作用下和温度作用下楼板钢筋不屈服。采取上述措施以满足连体结构竖向力和水平力能有效地传递到下方塔楼，提高结构受力性能。对连体结构大跨和大悬挑楼面振动频率和加速度进行分析，以满足结构正常使用性能的要求。

图1 连体结构模型

四、多遇地震下结构计算结果

采用两种结构计算软件进行多遇地震下弹性计算分析比较，并补充弹性时程分析与振型分解法进行对比分析。对结构正常使用状态下各项指标进行验算，对大跨和大悬挑楼面振动频率和加速度进行分析，以验证结构是否满足正常使用性能的要求。结构弹性计算设计采用有限元计算程序YJK，计算复核程序采用Etabs。计算分析整体指标统计采用刚性隔板假定结果，构件设计采用非刚性隔板假定的结果。实际建筑两个塔楼层高有所差别，但相差不大，计算模型差用一致的层高。 连体顶出屋面小塔楼建模计入分析模型，不属于主要抗侧力体系，各项整体指标按钢框架结构控制。上部结构嵌固端取为地下室顶板。

对单塔模型（连体自重作为荷载施加于塔楼顶）的计算分析表明，两栋塔楼各自平扭周期比均不大于0.9，扭转效应不大，且动力特性较为一致。

计算结果表明两个软件计算的具体值有所差别，但结果趋势是一致的。按抗规计算，22、23、24层为薄弱层，按高规计算则仅1、23、24层为薄弱层，其中23、24层为连体下方楼层，连体下方薄弱层产生的原因是连体层整层高桁架刚度较强，实际上连体桁架主要为承受竖向荷载的构件，而非整体抗侧构件，结构的主要抗侧体系框架-混凝土筒体并无刚度突变情况。设计中对1、22、23、24层地震剪力均放大1.25倍。

五、罕遇地震弹塑性动力时程分析整体计算结果

结构在罕遇地震下的动力弹塑性时程分析，计算软件采用结构动力弹塑性计算软件PKPM-SAUSAGE（PKPM Seismic Analysis Usage）。PKPM-SAUSAGE软件经过大量的测试，可用于实际工程罕遇地震下的性能评估，具有以下特点：大震分析采用不计地下室的地上部分结构模型。各塔大震SAUSAGE模型前6阶周期与重力荷载代表值与YJK小震弹性计算结果对比分析，SAUSAGE计算结果与YJK小震结果吻合较好。本次计算采用程序自带的对应场地周期Tg=0.50s的一组模拟人工波和二组天然波作为动力时程分析的地震波输入。由于本结构连体为大跨结构，故分析采用双向水平地震+竖向地震输入，主次方向和竖向地震波峰值为1∶0.85∶0.65，根据规范，地震波有效峰值加速度EPA为125cm/s2。结构层间位移角X和Y向最大分别为1/204和1/109，均不超过规范限值1/100，满足“大震不倒”的要求。

可见，结构能满足强柱弱梁的要求，竖向构件绝大部分还未屈服，连体主桁架基本未出现塑性损伤，结构整体安全能得到保证，连梁屈服最早，框架梁也有相当部分屈服，连梁和框架梁起到了耗能作用。

六、结语

本工程采用钢筋混凝土框架-核心筒体系，双塔在顶部有钢连体相连。通过相对合理的结构布置并对结构薄弱处采取了有效的设计措施，从而使得结构具有满足规范要求的抗震性能。各方面的计算结果表明，目前的结构方案可以满足规范的抗震性能目标要求，各项性能指标均符合现行规范和规程的要求。针对结构连体采取了相应的结构加强措施和补充计算分析，结构具有合理的抗震性能。补充了各工况下大开洞楼面和连体层楼面的楼板应力分析，以满足楼面水平力传递的要求。连体大跨度挑楼面结构的振动频率和加速度不能满足规范要求，采用TMD减振后验算满足要求。结构整体受力和各构件受力均能满足设定的抗震性能目标要求。