王愛和

(中國電子工程設計院有限公司， 北京 100142)

1 工程概況

本工程位于廣西省柳州市北部生態(tài)新區(qū)，建筑面積6萬m2。該工程屬于復雜超限高層結構，建筑高度36m，地上8層，地下1層，屋頂有格柵。地上各層層高均為4.5m。本工程6層至屋面層(共3層)為大跨度連體結構，連體跨度63m，寬度27m，建筑高度13.5m。連體部位建筑使用功能為辦公、會議。項目建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

本工程建筑結構安全等級二級，結構重要性系數(shù)1.0，設計使用年限50年。抗震設防烈度6度，設計基本地震加速度0.05g，抗震設防類別為標準設防類(丙類)[1]。建筑場地類別Ⅱ類，設計地震分組第一組，特征周期0.35s?；撅L壓0.30kN/m2，驗算舒適度時采用風壓0.20kN/m2，地面粗糙度類別B類。根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)，本地區(qū)不考慮雪荷載[2]。

2 單塔樓與整體結構計算對比

連體結構為鋼結構桁架，雙側塔樓為鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系，結構平面柱網尺寸均為9m。

按照《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3]的要求，連體結構各獨立部分宜有相同或相近的體型、平面布置和剛度。但本工程中兩側塔樓體型及剛度相差較大，且地震作用方向約有45°的夾角，在風荷載和地震作用下，若是采用常用的弱連接方式，很難協(xié)調兩側塔樓的整體變形及受力。故本工程采用連體結構與雙側塔樓剛性連接，且伸入塔樓一跨，此跨采用型鋼混凝土結構，保證水平力的有效傳遞。連體平面、立面布置圖分別如圖2,3所示。

圖2 連體平面示意圖

圖3 連體立面示意圖

由于兩側塔樓體型相差較大，平面形狀不對稱。故先采用YJK對連體各獨立部分進行拆分計算，各獨立部分體型不相同、層數(shù)完全相同，周期及側向剛度的計算結果對比分別見表 1和圖4。

獨立部分的周期對比 表1

圖4 側向剛度對比

單塔樓和整體結構主要計算結果對比見表2及圖4。從表2及圖4可看出，兩側塔樓周期、質量相差較大，在連體范圍的層數(shù)(6層至屋面層)中，側向剛度也有一些差距。由于獨立部分2平面為斜向布置，與獨立部分1有較大夾角，導致兩側塔樓地震作用方向有夾角。如采用滑動支座，會有如下問題：1)兩側塔樓很難協(xié)調變形；2)連體部位主要功能為辦公和會議，并非走廊和通行功能，對舒適度和安全性要求很高。因此采用連體和兩側塔樓結構剛性連接的結構方案。

在施工加載順序上，如采用分層組裝的方式，對連體最底層結構的承載能力要求較高，不易于施工，故采用整體吊裝的方式，計算模型中考慮一次加載。

單塔樓與整體結構主要計算結果對比 表2

3 連體結構設計

3.1 連體方案

針對本工程建筑使用要求及結構特點，連體方案確定時先考慮桁架榀數(shù)，考慮兩種連體方案，一種為設置最外側兩榀桁架，另外一種為連體縱向軸線設置四榀桁架。前者優(yōu)點在于橫向范圍內無結構構件，對建筑功能影響最小，缺點在于次梁跨度較大(27m)，構件截面過大，建筑層高僅為4.5m，次梁梁高過高對建筑凈高有較大影響，且結構安全度較低。后者優(yōu)點在于結構冗余度高，桁架截面及次梁截面相對較小，對建筑凈高有利，缺點在于中間兩榀桁架對建筑功能會有一定影響。綜合考慮，選取后者作為結構方案，建立力學模型，進行對比計算。

連體縱向軸線設置四榀桁架的方案一為四榀桁架方案，構件布置見圖5。連體結構為縱向四榀桁架，與塔樓剛接，中間榀桁架位置有斜腹桿，對建筑布局上有一些影響。方案二為外側兩榀桁架+中間空腹桁架方案，構件布置見圖6。連體結構為縱向外側兩榀桁架+內側空腹桁架，與塔樓剛接，中間榀桁架無斜腹桿，建筑功能布局上較為靈活。

圖5 連體方案一桁架示意圖

圖6 連體方案二中間空腹桁架示意圖

方案一的主要受力構件為中間兩榀桁架，故中間兩榀桁架構件的截面作為應力比控制截面。中間兩榀桁架支座附近構件內力最大，弦桿端彎矩537kN·m，斜腹桿軸力10 944kN，應力比最大值為0.84。方案二的主要受力構件為中間空腹桁架，支座處弦桿端彎矩1 120kN·m，豎桿應力比最大值1.0。

表 3為兩個方案的構件主要截面。從表3可以看出，采用空腹桁架的方案二的構件截面尺寸較大。

兩個方案的構件截面對比/mm 表3

方案一中的桁架邊跨撓度為38mm，中間跨撓度為48mm；方案二中的桁架邊跨撓度為40mm，中間跨撓度為74mm。方案一的桁架豎向剛度較大，邊跨和中間跨撓度相差較小。與方案一相比，方案二的中間為空腹桁架，因此整體豎向剛度較小，且邊跨的豎向剛度與中間跨的豎向剛度有較大的差距。

綜合以上考慮，方案二的構件尺寸影響建筑凈高，且整體剛度差，因此最終選擇方案一作為連體方案，中間桁架設置為建筑走廊隔墻，削弱對建筑功能的影響。

3.2 連體結構計算

考慮豎向地震作用，對連體結構進行計算分析。

3.2.1 小震作用分析

為保證連體與兩側塔樓更好連接，連體桁架弦桿通長貫通深入兩側塔樓結構內，保證水平力及豎向荷載的可靠傳遞。

小震作用下，連體結構中間榀桁架的強度應力比見圖7。由圖7可得，應力比最大值為0.80，位于支座腹桿處。當不考慮樓板作用時，連體結構中間榀桁架的強度應力比見圖8。由圖8可得，應力比最大值為0.95，位于支座腹桿處。

圖7 小震作用下中間榀桁架強度應力比

圖8 不考慮樓板作用時中間榀桁架強度應力比

3.2.2 大震作用下動力彈塑性時程分析

本工程屬于復雜超限高層建筑，為實現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震目標，采用基于性能的抗震設計方法，綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構的特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度，設定本工程結構體系各部分的抗震性能目標為C級。大跨度連體結構的桁架支座柱、連體桁架設定為關鍵構件，性能指標為中震彈性，大震不屈服。

在進行大震作用下的彈塑性時程分析之前，首先利用YJK進行了模型的靜力和模態(tài)分析，利用SAUSAGE進行了施工模擬和模態(tài)分析，用來校核模型從YJK轉換到SAUSAGE的準確程度。按建筑場地類別和設計地震分組選用兩組實際地震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線，在罕遇地震作用下峰值加速度取125gal。

在大震作用下，連體兩側塔樓的大部分墻體無受壓損傷，部分連梁附近的墻體出現(xiàn)受壓損傷，損傷因子主要在0.1左右。部分墻體出現(xiàn)受拉損傷，損傷因子最大值為0.4。墻體縱筋、水平筋均未出現(xiàn)塑性應變。連體兩側柱子均采用型鋼混凝土柱，在大震作用下，大部分型鋼柱無受壓損傷，極少數(shù)柱出現(xiàn)受壓損傷，損傷因子主要在0.1左右。絕大部分屋面位置，及少部分柱底位置出現(xiàn)混凝土受拉損傷。與桁架相連柱中鋼骨和鋼筋均未進入屈服。

大震作用下，樓板整體受壓損傷較小，損傷多位于連體和塔樓連接處附近。樓板鋼筋未進入屈服，因此不影響剪力的傳遞。連體結構桁架的鋼結構構件未出現(xiàn)塑性應變。

3.3 連體樓板應力分析

按中震不屈服計算，對于典型復雜樓板進行恒載+活載工況下應力分析,6層和屋面層樓板的應力圖分別見圖9,10。由圖9,10可以看出，由于連體結構的大跨度桁架在恒載+活載作用下的整體變形，導致6層樓板在跨中位置的拉應力較大(11MPa)，屋面層樓板支座位置的拉應力較大(7MPa)?；诖丝紤]，可在連體鋼結構整體吊裝連接完成后，進行樓板混凝土澆筑時，在連體大跨桁架兩端各設置一道施工后澆帶，釋放支座處約束作用，設置后澆帶后6層樓板應力結果如圖11所示。從圖11可得，在設置施工后澆帶后，在中震及活載作用下，連體樓板拉應力較小，基本在2.0MPa以下，與連體相連的剪力墻附近出現(xiàn)局部應力集中，達到4.0MPa左右。施工圖階段對于應力較高部位，通過提高此處樓板配筋等措施來解決樓板受拉問題。

圖9 6層樓板X向板底應力圖/MPa

圖10 屋面層樓板X向板底應力圖/MPa

圖11 設置后澆帶后的6層樓板X向板底應力圖/MPa

3.4 連體樓板溫度應力分析

根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)，廣西地區(qū)基本氣溫為：最高溫度36℃，最低溫度3℃，夏季室內外溫差10℃，冬季室內外溫差10℃。因此確定施工合攏溫度為10～25℃，保證在一年中的大部分時間均可合攏，具備施工可行性?；诖?，確定結構的最高溫度為36-10=26℃，最低溫度為3+10=13℃，結構最大溫升為26-10=16℃，最大溫降為13-25=-12℃，升溫、降溫時樓板溫度應力分別見圖12,13。

圖12 升溫時6層樓板X向溫度應力/MPa

圖13 降溫時6層樓板X向溫度應力/MPa

從圖12,13可得，溫度導致樓板產生拉壓應力(X，Y兩個方向)，在升溫、降溫時，絕大部分拉壓應力在-1.0～1.0MPa之間，極少數(shù)部位產生了應力集中達到1.6MPa。在降溫時，樓板產生拉應力均較小，主要表現(xiàn)為壓應力。大部分樓板應力均小于《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)[4]中的C30混凝土的抗拉強度設計值1.43MPa。

針對溫度應力的問題，采取的減少溫度應力的結構設計措施如下：1)設置溫度后澆帶,間距30～40m，釋放早期混凝土的收縮應力；2)在重點部位樓板增加通長鋼筋，在梁增加上部通長鋼筋及梁側腰筋，適當提高配筋率，連體結構兩端柱加大配筋；3)結合建筑做法采用外包墻、加大屋面保溫層厚度做好保溫隔熱措施，保證在使用階段主體結構處于恒溫狀態(tài)，減小使用階段溫度應力；4)在樓板開洞四周增強配筋。

3.5 樓板舒適度分析

采用0.5m網格尺寸對連體樓板進行細分，對樓板自振頻率進行驗算。樓板第一階模態(tài)豎向自振頻率為2.131 5Hz，小于《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)及《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)中限值3Hz要求，需進行豎向振動加速度峰值驗算。

驗算時考慮如圖14中虛線所示的兩種步行方式[5]，按照步速1m/s施加時程步行荷載，兩種工況下樓板的峰值加速度分別為0.059 1m/s2和0.067 5m/s2，均滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)中限值0.215m/s2要求，目前的樓蓋設計滿足舒適度要求。

圖14 舒適度驗算步行方式布置示意圖

3.6 連體部位構造措施

針對大跨度連體結構，采取了一些構造措施加強結構的整體性，主要包括以下措施：1)連體結構與塔樓采用剛性連接[6]，連體結構伸入主體結構一跨；2)連體部位及兩側塔樓兩跨范圍內樓板厚度150mm，采用雙層雙向鋼筋網，每層每個方向鋼筋網的配筋率不宜小于0.30%；3) 連體部位邊梁截面加大；4) 在連體高度范圍及其上、下層，連體及與連體相連的結構構件抗震等級提高，框架、剪力墻抗震等級均提高至二級；5) 與連體相連的框架柱采用型鋼混凝土柱，箍筋全段加密，軸壓比限值降低了0.05；6) 與連體相連的剪力墻在連體高度范圍及其上、下層設置約束邊緣構件[7]。

4 結語

本工程為高位連體復雜超限結構，通過和建筑專業(yè)的充分溝通，結合建筑需求確定合理的結構體系，并對體系中受力復雜的區(qū)域進行詳細的分析計算、性能化設計，達到預期的性能目標，從而保證整個結構體系合理。在該復雜超限高層的連體設計中，進行了單塔計算分析、連體樓板應力分析、樓板舒適度設計、溫度應力分析等多個計算，采用對應的加強措施對薄弱部位進行加強，確保結構滿足抗震設防目標，為類似工程提供參考。