+双塔楼连体结构设计

+双塔楼连体结构设计

曹维

（华东建筑设计研究院有限公司）

摘要：本单体为由两栋不等高的框架剪力墙结构组成的复杂连体建筑，两个塔楼高度相差22.5m，中间采用跨度为24m的连廊连接，连廊采用钢梁+钢筋桁架楼承板，钢梁与塔楼的型钢混凝土柱刚性连接。通过调整塔楼的结构布置，使得两个塔楼的结构动力特性尽量接近，以减少不对称对连体的附加影响。通过单塔模型分析，在不考虑连体时塔楼仍可以在小震下保持弹性工作状态。对连体结构进行动力弹塑性分析发现薄弱部位，并采取措施对其进行加强。对钢梁与型钢混凝土柱的刚接节点进行分析，保证节点在中震和大震下的弹性状态，并实现“强节点弱构件”。

关键词：研发办公；连体结构；动力弹塑性分析；节点分析；性能化设计

1. 工程概况

本项目位于上海市闵行区大零号湾，共4栋单体，总建筑面积92487.25㎡。其中1#楼为高层连体结构，地上共17层，研发办公，首层高6米，标准层高4.5米，局部大堂两层通高。

1#楼由1#-1、1#-2和连体组成，1#-1建筑高度为78米,1#-2建筑高度55.5米，其中3层、4层、5层和11层、12层、13层由钢连廊连为整体，地下室底板标高为-9.550m。塔楼采用框架剪力墙结构，连体采用钢结构。

2. 设计参数、结构布置和超限判断

本工程位于7度区（0.1g）,第二组，Ⅳ类场地，Tg=0.9s，ξ=0.05，周期折减系数为0.8;基本风压W0(50年)=0.55kN/m2，风荷载体型系数取1.40，地面粗超度为B类；

本单体的扭转位移比为1.38＞1.2，为扭转不规则；2层局部挑空，开洞面积较大，楼板不连续；3~5层和11~13层为连体所在层，为复杂连体结构；13层以上立面体型收进，收进部位的高度超过结构总高度的20%,且收进尺寸大于相邻下层的25%，为侧向刚度不规则。按照《上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则(沪建管[2014]954号)》[8]的相关规定，本单体属于特别不规则结构。针对上述超限情况，采取下述加强措施：

(1) 与连体相连的框架柱抗震等级在全高范围提高一级，箍筋全高加密。连体钢梁的抗震等级提高一级。

(2) 连体楼层的板厚取150mm，按照中震不屈服配筋，按0.25%的配筋率双层双向拉通。

(3) 与连体相连的框架柱的轴压比控制在0.6以内,底部加强区的轴压比控制在0.4以内。

(4) 部分剪力墙内设置钢板，以满足中震屈服承载力要求。

(5)立面收进部位相关楼层周边框架柱抗震等级提高一级。

(6)立面收进部位以下2层的框架柱抗震等级提高一级，提高配筋率，加大箍筋直径，间距全高加密；

(7) 楼板大开洞楼层，板厚取150mm，配筋按照0.25%的配筋率双层双向拉通。

3. 单塔结构分析

根据规范要求，连体结构各独立部分宜有相同或相近的体型、平面和刚度，以减小在地震过程中出现相互偶联的振动，减小扭转影响。[1]

采用YJK-A分别对1#-1和1#-2两个独立单体进行小震下反应谱分析。分析这两个单体在不考虑连体的情况下其结构的动力特征，确保在连体结构失效的情况下，两个塔楼仍能各自独立地抵御地震作用，从而避免遭受严重破坏。由表1和图1~4可知，两塔楼的结构体系相同，结构平面布置相近，1#-1结构高度为78米，1#-2结构高度为55.5米，两者相差接近30%。1#-1的楼层剪切刚度约为1#-2的2倍，但是楼层平均位移相差不大，由连体导致的扭转影响较小。

因此两塔楼在不考虑连体的情况下结构的动力特征满足规范要求，确保了在连体失效后两个塔楼可以独立承担地震作用。

表1  塔楼前三个振型周期和平动系数对比

4. 连体与塔楼连接形式的选择

根据连体两端的支座形式不同，分别按铰接和刚接两种连接对比整体结构动力特性、倾覆力矩、楼层平均位移，选择合理的连体支座形式。

图5 连体两端刚接计算模型

图6 连体两端铰接计算模型

经计算，刚接时钢梁高度可取1200mm,跨度挠度为31mm；铰接时钢梁高度需要取1500mm，跨中挠度为77mm。

表2 规定水平力下的倾覆力矩和基底剪力

表3水平地震作用下位移角和位移比

通过上述对比分析可以得到如下结论：

（1）不同的支座形式对整体结构的影响程度基本相同；

（2）两端铰接的钢梁尺寸大，对建筑的净高影响更大；两端刚接的钢梁尺寸小，可满足建筑对净高的使用要求；两端刚接的钢梁挠度小，钢梁的预起拱值较小，更方便施工。

综上所述，选择连体两端均为刚接的支座形式可行。

5. 抗震性能目标

为保证结构设计的安全性兼顾经济性，提出了基于性能的抗震设计。[2]结构整体抗震性能目标定为D级，与连体相连的竖向构件抗震性能目标定为C级。具体的抗震性能设计目标细化表详见表4。

表4 塔楼的抗震性能化设计目标[2]

6. 结构性能分析

6.1 小震反应谱弹性分析

采用 YJK-A和PMSAP两种软件进行了小震下反应谱分析，表5为主要计算结果。两款软件的结构动力特性基本一致，保证了模型计算的可靠性。

表5 主要计算结果

6.2 动力弹塑性分析

采用YJK-EP进行大震动力弹塑性分析，并考虑重力二阶效应，计算得出结构楼层最大层间位移角X为1/157、Y为1/180，满足1/100的要求，能够满足规范的“大震不倒”要求。

由损伤图7~9可以看出：（1）大部分连梁混凝土受压损伤值超过 0.5，形成了塑性铰机制，能很好地发挥屈曲耗能的作用。（2）核心筒主墙肢受压损伤部位主要集中在底部两层，首层主墙肢局部区域达到中度损伤，二层以上核心筒各主墙肢总体保持弹性，顶部剪力墙局部出现轻微损伤。设计时将核心筒一、二层主墙肢的配筋进行加强，适当提高该区域的配筋率，并根据各墙肢损伤情况分别设置构造钢骨。（3）框架柱除柱底少量单元出现轻微损伤外，其他均保持弹性，满足二道防线的要求。

图7剪力墙及连梁混凝土受压损伤图

图8 框架柱混凝土受压损伤图

图9 楼板受压损伤图

结构在罕遇地震作用下的弹塑性反应和破坏机制符合抗震概念设计要求。

6.3 节点分析

在整体计算模型中，考虑两个塔楼的振动差对连廊钢结构的不利影响。在中震和大震作用下两个单体相向及相近位移时，连体钢框梁的轴力计算值如下：

在钢节点的应力分析中，考虑上述梁端轴力，分析结果如下：

图10 中震下钢节点的应力

图11 大震下钢节点的应力

由上述分析结果可知，在中震和大震作用下，当两个单体发生相向和相反的位移时，连体的钢框架梁会产生较大的轴力。经过节点分析，除了个别区域外，节点应力均小于355Mpa，满足不屈服的设计要求。另外在此轴力作用下，梁端会产生比较大的变形，为保证梁不会因变形过大失稳，在梁端2倍梁高的范围间距500mm设置一道双向加劲肋。

7. 舒适度分析

根据规范规定，连体楼板需满足舒适度要求。图12为连体楼板第一阶竖向振型，第一阶自振频率：3.08821 Hz ≥频率限值: 3.0 Hz ，Z方向振动峰值加速度= 0.5 x 0.009354 = 0.004677 m/s2 < 0.050000 m/s2,满足规范要求。

图12 连体楼板第一阶竖向振型

8. 楼板应力分析

本塔楼连体平面的尺寸约为109x23m，远超《混凝土结构规范》[4]对于框架结构伸缩缝

55m的间距要求，应考虑温度变化对结构的影响。假设楼盖后浇带合拢时温度为15℃，降温工况（TD）温差为-19℃，升温工况（TU）的温差为+21℃。

降温工况温度应力设计值=1.5x0.6xTD=0.90TD,升温工况温度应力设计值=1.5x0.6xTU=0.90TU。楼板在荷载组合1.3恒载+1.5倍活载+0.90TD(或TU)作用下所需求的钢筋量配置在相应的板顶和板底。

楼板在降温工况（0.90TD）和升温工况（0.90TU）下温度应力分布及应力值详见图 13。从图中可知，扣除局部应力集中的影响，大部分楼板X向温度应力在0.5MPa 以下，Y向温度应力在0.2MPa以下，而且连廊中部楼板的应力水平较高。根据应力分析，连体楼层的楼板在X方向设置10@150双层拉通，在Y方向上设置8@150双层拉通，局部根据计算附加。

图13  楼板在升温工况下的主应力Sig-xx

9. 结语

（1）本单体存在扭转不规则、楼板不连续、复杂连体结构和侧向刚度不规则共4条不规则项。按照《上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则(沪建管[2014]954号)》的相关规定，本单体属于特别不规则高层建筑。针对这些超限情况采取相应加强措施，且各项指标满足规范要求。

（2）分析两个单体在不考虑连体情况下的动力特征和指标，确保两个塔楼能各自独立地抵御地震作用，从而避免遭受严重破坏。

（3）连体与主体结构的不同连接形式对整体结构的影响程度基本相同，采用刚接或者铰接主要取决于钢梁的截面限制和挠度要求。

（4）本单体满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的基本设防要求，同时满足设定的D级性能目标要求，结构抗震安全可靠。

参考文献

[1] 建筑抗震设计规范：GB 50011—2010[S].2016年版.北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2] 高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] 建筑抗震设计标准：DG/TJ08-9-2023.上海：同济大学出版社，2023.

[4] 混凝土结构设计规范：GB 50010-2010[S].2016年版.北京：中国建筑工业出版社，2016.

[5] 建筑楼盖结构振动舒适度技术标准：JGJ/T441-2019.北京：中国建筑工业出版社，2019.

[6] 高层民用建筑钢结构技术规程：JGJ99-2015.北京：中国建筑工业出版社.

[7]吴国勤,傅学怡,何立才,等. 不对称双塔楼高位连体结构设计[J]. 建筑结构构.2017.47(3):40-46

[8] 《上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则(沪建管[2014]954号)》