某高层结构的连接体设计

黄运财

(厦门瑞达置业有限公司　福建厦门　361000)



某高层结构的连接体设计

黄运财

(厦门瑞达置业有限公司福建厦门361000)

连体建筑是一种体型和受力复杂的高层建筑。连接体是连体建筑的关键构成，水平荷载作用下内力及变形复杂，是连体建筑抗震设计的关键问题与技术难点。文章结合某工程弱连接方式的实例，参考连体结构设计方法，详细介绍了某高层结构连接体的设计过程以及连接体楼板舒适度的验算方法。

连接体；铅芯橡胶支座；变形量；舒适度

0　引言

随着现代建筑形体的日趋复杂及建筑功能的需要，连体结构越来越多地出现在高层建筑结构设计中。连体结构是指除裙楼以外，两个或两个以上塔楼之间带有连接体的结构。连体建筑是一种体型和受力复杂的高层建筑，通过在不同塔楼间设置连接体将单体结构连在一起，方便不同建筑物之间的空间联系[1]。

连接体作为连体建筑的关键构成，水平荷载作用下内力及变形复杂，成为连体建筑抗震设计的关键问题与技术难点，如处理不当结构安全将难以保证。连接处理方式一般根据建筑方案与布局来确定，根据连接体与塔楼的连接方式，连体结构可分为2类——强连接方式和弱连接方式。强连接方式是指连接体结构采用两端铰接、两端刚接的形式与塔楼相连，弱连接方式是指连接体结构采用一端铰接、另一端滑动连接或两端滑动连接的方式与塔楼相连。

当连接体包含多层楼盖，且连接体结构刚度足够，能将主体结构连接为整体并协调受力变形时，可采用强连接方式，其设计要点是使连接体与塔楼真正连为整体，完全协调受力。当连接体结构较弱，无法协调主体结构共同工作时，可采用弱连接方式，其设计要点是预留支座足够的滑移量并设置限位措施，防止连接体在强震下跌落。

本文通过工程实例，采用一种弱连接的方式，由内力和位移计算结果，根据实际情况，选用具有隔震性能的铅芯橡胶支座。

1　工程概况

本工程位于福建省厦门市思明区，建筑物地下3层，地下室顶板作为上部结构的嵌固端，地上有南、北2个塔楼组成，北塔楼29层，总建筑高度126.6m，南塔楼25层，总建筑高度99.6m，框架核心筒结构体系，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组属第1组，建筑物场地类别为Ⅰ1类，核心筒及框架抗震等级均为二级，基本风压0.8kN/m2，本工程地形北高南低，南北塔错层，在南塔3层设置有大空间多功能会议室与北塔楼相连，即在南北楼3层和4层标高处分别设置了连接体，连接体高度6m，宽度为20.5～23.6m，跨度为15.8m，建筑效果图见图1。

2　连接体设计分析

2.1连接方式选择

因为本项目两塔楼建筑体型、平面布置、楼高和层高均不一致，连接部位偏置，以及连接部位在较低位置的3、4层裙楼处，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010连体结构的概念，本工程不属于连体结构范畴，且为尽量减小在风效应和地震作用下两栋楼之间的相互作用，并改善整体结构性能，将上部划分为独立的2个结构单元，同时避免结构成为超限高层，连接处拟采用弱连接的隔震支座，并且考虑支座在水平力作用下能够恢复 ，两端均采用铅芯橡胶支座。

铅芯橡胶支座 ( Lead RubberBearing，简称 LRB)如图2所示，是在普通天然橡胶支座的中心插入铅芯，以改善橡胶支座阻尼性能的一种减震支座。铅芯橡胶支座除能承受结构的竖向力和水平力外，铅芯产生的滞后阻尼的塑性变形还能吸收地震能量，并可通过橡胶提供水平恢复力。

2.2铅芯橡胶支座初选

支座的设计主要是其变形量的计算，支座变形量应能满足两个方向在罕遇地震作用下的位移要求。罕遇地震作用下的位移要求，应采用时程分析方法进行计算复核。连接体与周边结构应设置隔离缝，缝宽不宜小于隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移值的1.2倍且不小于200mm。以南楼离地高度来算，四层连廊处的高度为15m，多遇地震下，框架核心筒的弹性层间位移角限值为1/800，南楼4层连廊处位移Δ=15 000/800=18.75mm，假设两侧主体结构在地震作用下最不利最大变形同时到达，则两栋楼间的位移为2×18.75=37.5mm，罕遇地震作用下，根据地震安全性评价报告提供的场地设计地震动反应谱谱形参数值(阻尼比为 0.05 )，小震时水平地震影响系数最大值αmax=0.138,大震时水平地震影响系数最大值αmax=0.775，0.775/0.138=5.62，按5.62倍多遇地震作用，△′=5.62×37.5=210.75mm，即取连廊支座可滑移量不应小于210.75mm，根据厂家提供的铅芯(LRB)建筑隔震支座性能参数，LRB400在罕遇地震作用下隔震支座的位移限值为△=0.55D=0.55×400=220mm>210.75mm，同时，橡胶层总厚t=78.38mm,3t=235.14mm>210.75mm，满足要求。LRB400铅芯支座主要参数如表1所示。

表1　LRB400铅芯支座主要参数

2.3弹性分析计算

根据初步选取的支座型号，采用盈建科(YJK)结构分析软件，建立了独立计算模型和整体计算模型(见图3)，独立计算模型中南楼、北楼单独建模计算，连接体部分按荷载输入，整体计算模型中南楼、北楼和连接体部分整体建模计算，连体部分隔震支座采用连接单元建模(见图4)，支座参数按实际输入。

2.3.1风荷载作用下计算

基本风压为0.80kN/m2，地面粗糙度类别为A类，围护结构高度按12.0m。计算结果如表2所示。

表2　风荷载作用下计算结果

风荷载作用下，单个支座受到的水平力VRW为300×1.4/16=26.25kN，小于支座的弹性恢复力K100×t=0.92×78.38=72.10kN,且小于屈服力，处于弹性状态。其中K100为隔震支座在水平剪切应变100%时的水平有效刚度，t为橡胶总厚度。

2.3.2多遇地震下的振型分解反应谱法计算

对结构自振周期、地震作用和风荷载下底部总剪力进行了比较。经对比分析可知，主体结构在整体计算与独立计算中，两者差异很小，也即可以认为连接体部分无法起到协调两者变形的作用，南、北楼可以单独计算，包络设计[2]。

对连廊支座情况，X、Y向的单向地震及双向地震，αmax=0.138时,反应谱分析的小震作用下支座的最大剪切变形值如表3所示。

表3　小震作用下支座的最大剪切变形值　mm

其中X向地震作用下最大剪切变形的支座为Link9，水平剪力为22.9kN；Y向地震作用下最大的剪切变形的支座为Link8，水平剪力为23.5kN。

2.3.3多遇地震下的弹性时程补充计算

选用3组地震波，一组为与设计目标反应谱相符的人工模拟加速度时程，其余2组为真实强震加速度记录。对所用地震波的时程以及其所得到的反应谱曲线(见图5～图8)，并与目标反应谱进行对比。所选用的地震时程记录幅值与持续时间均满足规范要求，所得到的反应谱曲线与目标反应谱曲线的相符程度也是令人满意的。

输入地震波的加速度峰值取为55cm/s2，选择Chi-Chi, Taiwan-06_NO_3276波、TH4TG045波和ArtWave-RH1TG045，特征周期Tg为0.45s的地震波，地震波长为0.005s和0.02s，结构阻尼比为0.05s，持续时间不少于30s。

上述3条时程曲线中每条时程曲线计算所得到的结构基底剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的65%，且3条时程曲线计算所得到的结构基底剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%，满足规范要求。

以下为选用Chi-Chi, Taiwan-06_NO_3276波的作用下，铅芯橡胶支座变形情况。

其中Link1为X向剪切变形最大的支座，Link2为Y向剪切变形最大的支座。

2.3.4弹性计算分析结论

由以上分析可见，反应谱分析时，支座最大的剪切变形为Y向28.40mm，水平剪力为23.5kN，处于弹性范围内，满足小震弹性的设计要求；弹性时程分析时，在Chi-Chi, Taiwan-06_NO_3276波双向地震作用下，16个铅芯橡胶支座中X向水平剪力最大值为42.50 kN,X向水平剪切变形最大值为46.65mm，Y向水平剪力最大值为39.79 kN,Y向水平剪切变形最大值为45.00mm，所有橡胶支座处于弹性恢复范围内，满足小震弹性的设计要求(详见表4)。

表4　支座的最大剪切变形值　mm

2.4非线性分析和地震评价

为验算连接体在罕遇地震作用下的结构抗震性能，本文采用YJK-EPD软件，按照动力弹塑性时程分析方法对结构进行非线性地震反应分析，考察其宏观抗震性能及塑性铰的形成规律，确定大震下隔震支座剪切变形是否满足抗震性能对其的设计要求。表5、表6分别为南、北楼整体计算时三、四层的最大层间位移角和隔震支座处的最大位移。

表5　南楼YJK整体计算

表6　北楼YJK整体计算

结构在罕遇地震作用下对连接体结构进行弹塑性时程动力分析，采用T021地震波，加速度峰值取为310cm/s2，铅芯橡胶支座的变形情况见表7。

表7　大震作用下支座的最大剪切变形值　mm

其中Link9为X向剪切变形最大的支座，Link1为Y向剪切变形最大的支座。

由以上分析可知，连接单元弹塑性时程动力时程分析时，在大震双向地震作用下，16个铅芯橡胶支座中支座X向水平剪力最大值为85.0kN，X向水平位移最大值为127.54mm，Y向水平剪力最大值为90.0kN,Y向水平位移最大值为128.63mm，柔性支座进入塑性状态，但小于3t，t为橡胶层总厚78.38mm，且小于0.55D，D为LRB400有效直径，D=400mm，满足设计要求。而且，水平剪力-水平剪切变形滞回曲线饱满，隔震耗能效果较好(详见图9，图10)。

2.5舒适度验算

按照《混凝土结构设计规范》GB50010-2010[3]中3.4.6条和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010[4]中3.7.7条的要求，楼板的最低阶固有频率必须满足一定的限值(住宅和公寓不宜低于5Hz，办公楼和旅馆不宜低于4Hz，大跨度公共建筑不宜低于3Hz)，否则需进行动力学时程分析判断其最大加速度响应是否满足要求。本工程连廊主梁跨度15.8m，主梁为钢梁(BH1000×400×18×20)，高跨比约 1/16，两端铰接，楼板采用1.2mm镀锌压型钢板与钢筋混凝土组合楼板，厚度为150mm。采用PKPM中的SLABFIT模块，利用该模块，可以对复杂楼板结构进行自振模态分析和动力学时程分析。SLABFIT 模块接力 PKPM 系列软件中的PMCAD 模块进行计算，以单层楼面结构作为分析对象，基本思路为：选取 PMCAD 中的一个楼层作为分析模型，将与楼板相连的墙、柱简化为弹性支座，对楼板施加动力荷载(包括固定荷载和移动荷载)，计算楼板的自振模态和动力学时程响应，根据第一自振频率和最大加速度响应来判断楼板是否满足规范给定的舒适度要求。经计算得到的模态分析结果如图11所示，竖向主频第一阶为4.78Hz，可满足舒适度要求。

对于一般工程，可采用最低固有频率作为楼板舒适度的控制指标，因为按照《混凝土结构设计规范》GB50010-2010[4]中3.4.6条和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中3.7.7条的相关规定，只要楼板的最低频率大于最低频率限值，通常便可认为该楼板已满足舒适度要求，对于某些特殊工程(如舞厅、健身房、体育场馆、天桥等)，建议采用加速度响应作为辅助控制指标，也就是说，在已满足最低固有频率规范限值的基础上，进一步计算其动力响应，判断其最大加速度是否满足规范要求。

3　结语

对应复杂连接结构，结构设计需根据连接体的跨度、刚度等选择合适的连接方案并进行相应的分析。对应每一种方案，均需做到计算简图明确，传力路径合理而且完整，有足够的承载力和变形耗能能力。同时，连接体一般属于较大跨度楼盖结构，设计时应注意楼盖舒适度的验算。

[1]傅学怡.一种新型连体-铰接连体结构设计[J].第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文,2014.

[2]徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社.2005.

[3]GB 50010-2010 混凝土结构设计规范[S].

[4]JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

黄运财(1981.11-)，男 ，硕士，结构工程师。

Connection design of a high rise structure

HUANGYuncai

(Xiamen Ruida Real Estate Co.Ltd,Xiamen 361000)

The connected building is a high-rise building with complex and force.The connection is a key part to ersure its safety under earthquake load. In this paper, combined with the engineering example reference structure design method, a simple discussion on the design process of a high-rise structure connecting body and the method of calculation of the connection body floor comfort.

Connection; Lead rubber bearing; Deformation amount; Floor comfort

黄运财(1981.11-)，男 ，工程师。

E-mail:18963835@QQ.COM

2016-01-18

TU973

A

1004-6135(2016)02-0060-05