張 葳

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

1 連體結(jié)構(gòu)介紹

連體結(jié)構(gòu)指除裙房以外，兩個或多個塔樓之間帶有連接體的結(jié)構(gòu)。其屬于復雜的結(jié)構(gòu)體系，因此在分析設計過程中，需采用合理的計算模型和有效的構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)安全可靠。

2 連體結(jié)構(gòu)設計要點

2.1 塔樓部分

根據(jù)高規(guī)要求，連體結(jié)構(gòu)各獨立部分宜有相同或相近的體型、平面布置和剛度，宜采用雙軸對稱的平面形式。在方案階段應按此原則控制，盡可能選擇相似的塔樓形體[1]。當受限建筑布置無法滿足時，結(jié)構(gòu)應采取措施來使各塔樓剛度接近，同時應增強各塔樓自身的抗側(cè)和扭轉(zhuǎn)剛度。

連體結(jié)構(gòu)存在大量的參與系數(shù)很小低階振型，在計算時應注意選擇足夠多的振型來滿足設計的精度要求[2]。同時應補充單個塔樓的計算，確保連體失效后，塔樓可以獨立承擔地震作用不致發(fā)生嚴重破壞。

2.2 連體部分

2.2.1連接體桁架形式

連接體可以采用斜腹桁架或空腹桁架等形式。比較而言，斜腹桁架傳力路徑明確，弦腹桿受力均勻，構(gòu)件以軸向受力為主，而空腹桁架相反，構(gòu)件軸力小、彎矩大。在相同的安全儲備下，空腹桁架用鋼量比斜腹桁架大很多，因此在建筑允許條件下，優(yōu)先采用斜腹桁架更加經(jīng)濟合理[3]。

2.2.2連體結(jié)構(gòu)的連接

連接體與塔樓的連接主要分為強連接和弱連接。

強連接一般用于剛度大跨度大的連接體，連接體與塔樓剛接，有利于連接體和塔樓的協(xié)同工作。弱連接更適用于剛度小跨度小的連接體，通長連接體一端與塔樓鉸接，一端做成滑動支座或兩端均做成滑動支座，減弱連接體和塔樓之間的相互作用。

強連接的弊端在于溫度應力和由于塔樓不均勻沉降導致的附加應力難以消釋。而采用弱連接結(jié)構(gòu)形式能夠通過支座變形減弱塔樓與連接體之間的作用力，但需要在支座處預留足夠的滑移量(可采用時程分析方法)以阻止地震作用下與塔樓碰撞和甚至墜落。

應根據(jù)塔樓與連接體之間的特點，選擇合適的連接形式。一般而言，強連接在結(jié)構(gòu)分析和構(gòu)造上更簡單，應優(yōu)先采用。當強連接無法滿足設計需求時，可采用弱連接。

2.2.3連接體的計算流程

在實際設計過程中，可先單獨進行連接體建模，驗算在靜力荷載下連接體的內(nèi)力和變形，同時優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件的尺寸，然后代入整體結(jié)構(gòu)，進行動力荷載的分析，驗算整體結(jié)構(gòu)的指標和連接體的抗震性能。需注意連接體所處樓層應按照薄弱層處理，同時為保證計算模型可靠，應采用至少兩個基于不同力學模型的三維空間結(jié)構(gòu)分析軟件進行整體內(nèi)力和位移的計算。

2.2.4風荷載及舒適度計算

對于連體結(jié)構(gòu)，需尤為關注抗風設計，否則在強風作用下，連體變形過大或振感明顯，將嚴重影響使用體驗。特別對于超高層中的連體結(jié)構(gòu)，周邊環(huán)境復雜，建筑間距小，相互干擾效應明顯，必要時，需進行風洞試驗，確定用于設計的風荷載。

連接體的自振頻率可由結(jié)構(gòu)分析軟件直接算出。峰值加速的計算一般需根據(jù)連接體的使用功能，確定相應的動荷載，然后根據(jù)高規(guī)附錄A中的簡化方法或直接在計算模型中施加荷載計算得到[1]。當指標不滿足規(guī)范時，一般可采用改變連接體的自重、調(diào)整剛度以及增大阻尼等措施滿足舒適度設計的要求。

另外在連接體的樓板平面內(nèi)設置水平交叉支撐桿能有效的增強其水平抗側(cè)剛度。該措施能夠使得弦桿、支撐與樓板共同傳遞水平力，增強連接體的整體抗彎性能、抗剪性能以及軸向變形能力，同時使實際結(jié)構(gòu)更符合分析模型中的剛性板假定。

2.2.5豎向地震計算

連接體一般位于高層建筑的較高位置，跨度較大，豎向地震作用明顯，現(xiàn)有的震害資料也表明，連接體的破壞與豎向地震作用密不可分，因此宜采用豎向地震反應譜法以及豎向地震時程分析法計算其豎向地震作用。

2.2.6抗震構(gòu)造措施

連接體以及與連接體相連的構(gòu)件受力復雜，在地震作用下，易形成薄弱部位，設計時必須予以加強，提高其承載力和延性?？蓞⒄崭邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術規(guī)程中10.5條的要求，加強連接體及相關構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施[1]。

對于較為復雜的超限高層結(jié)構(gòu)，可根據(jù)建筑的重要程度、經(jīng)濟性等要求，對關鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件以及耗能構(gòu)件進行性能化設計。連接體的樓板作為關鍵的傳遞水平力構(gòu)件，應控制彈性板中的主拉應力：在小震標準組合下樓板主拉應力小于混凝土抗拉強度標準值，保證樓板不開裂；在中震標準組合下樓板內(nèi)鋼筋不屈服，保證樓板不斷裂。

3 連體結(jié)構(gòu)的案例分析

3.1 工程介紹

工程位于深圳市，抗震設防類別為重點設防類別(乙類)。場地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期0.35 s，多遇地震下結(jié)構(gòu)的阻尼比取為0.05。地下室層數(shù)為2層，平臺中心由兩棟15層高的塔樓組成，總結(jié)構(gòu)高度為76 m，兩塔樓在1層、2層通過裙房連接，同時在8層、9層設置空中連接體。塔樓采用鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，抗震等級為一級；連接體采用鋼框架，抗震等級為二級，嵌固于地下室頂板。本工程屬于超限高層建筑結(jié)構(gòu)。

綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、結(jié)構(gòu)特殊性、建造費用、以及震后損失程度等各項因素，塔樓抗震性能目標整體定為D類，對關鍵構(gòu)件定為C類。

連體部位框架柱抗震構(gòu)造措施提高至特一級、桁架為一級。連接空腹桁架的框架柱抗震構(gòu)造措施提高至特一級?？崭硅旒芷溆嗖糠譃橐患?。對8層～10層連體部位相關的鋼桁架及相鄰一跨框架提出的性能目標為小震受彎、受剪彈性，中震受彎、受剪彈性，大震不屈服。

3.2 整體計算

采用YJK及MIDAS BUILDING進行分析校核。分析時采用振型分解反應譜法計算地震作用，并考慮了偶然偏心和雙向地震作用，采用CQC法進行振型組合。計算得到：結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)為Y向平動，第二階模態(tài)為X向平動，第三階模態(tài)為扭轉(zhuǎn)振型。在多遇地震下，層間位移角部分結(jié)果有極小偏差，但變化規(guī)律、基本形態(tài)均相同(見圖1)。

3.3 連接體計算

3.3.1連接體布置

整個連接平臺豎向?qū)挾?0 m，跨度為29.4 m，沿跨度方向南北兩側(cè)布置兩道主桁架，中間由于開洞和使用功能要求，采用空腹桁架，桁架間距為8.4 m。主桁架上弦桿采用H1 200×500×30×60，中弦桿采用H1 500×500×40×60，下弦桿采用H900×500×200，斜腹桿采用箱型700×500×50×50，豎腹桿采用箱型500×500×50×50(見圖2)，均采用Q390GJ鋼材。連接體板厚h=150 mm。

由于連接體跨度達29.4 m，負載面積大，且考慮到在風荷載及地震作用下相對變形大，支座處的拉力與剪力過大，因此鋼桁架與塔樓采用強連接的連接形式。鋼桁架弦桿通過與兩端混凝土柱中的鋼骨等強焊接形成剛接。

3.3.2樓板設計

計算結(jié)果顯示，各樓層樓板除在局部樓板應力集中處外，在小震標準工況下的主拉應力均小于2.01 MPa，8層連體部位局部應力略大于2.01 MPa，可考慮將8層～10層連體部位及相鄰一跨處樓板混凝土強度等級提高至C40，使其能夠滿足小震彈性的性能目標。根據(jù)中震下計算得到的最大主拉應力設計樓板配筋，使樓板滿足中震不屈服的性能目標。

3.3.3舒適度驗算

連接體根據(jù)計算結(jié)果顯示自振頻率為3.42 Hz，滿足規(guī)范要求的不小于3 Hz；連接體主要的建筑功能為辦公休閑區(qū)，荷載激勵主要為人行走荷載，計算得到的豎向振動加速度峰值為0.036 m/s2，滿足規(guī)范要求的不大于0.05 m/s2。

3.3.4豎向地震驗算

補充了小震下連體桁架弦桿的最大豎向地震作用效應與重力荷載效應比值，并且補充了小震與中震的彈性時程分析，統(tǒng)計了大跨桁架中最不利點在地震作用下的位移，并與CQC法進行比較。計算顯示：小震下桁架最不利點的最大豎向位移為5.51 mm，撓度為1/5 335；中震下桁架最不利點的最大豎向位移為15.78 mm，撓度為1/1 863。均滿足規(guī)范對結(jié)構(gòu)變形的限值。

4 結(jié)語

連體結(jié)構(gòu)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特性，應注重塔樓自身的抗側(cè)、抗扭設計，連接體作為關鍵構(gòu)件，應結(jié)合形體、功能、經(jīng)濟性等要求選擇合理的桁架形式以及與塔樓的連接方式，同時需對其進行抗震、抗風、抗連續(xù)性倒塌、舒適度等性能驗算，并提高與之連接構(gòu)件的構(gòu)造措施，確保連接體與塔樓協(xié)調(diào)工作。