高层建筑连体结构设计探讨

刘权 邓方 何黎阳

中机国际工程设计研究院有限责任公司 湖南 长沙 410000

引言

所谓高层连体结构，是指两个及以上塔楼连接构成的复杂型建筑结构类型，若遇风或地震灾害，结构会产生平动变形，同时还会出现扭转变形；若塔楼不对称，扭转效应更为显著。实践表明，地震区域连体结构建筑破坏严重，尤其是主体结构高度不一或者体型不同时，结构损坏更为严重。为此，需基于高层建筑结构的受力特征编制专项结构设计方案，对连接体、两侧塔楼的支座连接等关键位置进行应力计算与分析，确定合理参数。

1 高层建筑连体结构组成

按照结构形式，连体结构分为框架、框架—剪力墙、框架—核心筒、筒中筒等形式，应用较多的为钢管混凝土框架＋核心钢板剪力墙体系；按照建筑材料，连体结构分为钢筋混凝土结构、钢结构、混合结构等；按照塔楼连接的空间关系，连体结构可分为无刚臂、单刚臂、多刚臂体系等。无论何种结构形式，其组成主要为塔楼、连体、大底盘等。

（1）塔楼。塔楼与单体建筑差异较小，主要分为框架结构、剪力墙结构、框筒结构或筒体结构等。若各塔楼高度、平面布置、刚度等相同，则为对称连体结构，若不同则为非对称连体结构[1]。非对称塔楼中各单体刚度、阻尼等均关系到连体结构整体的力学性能。

（2）连接体。连接体是高层连体结构的主要组成部分，使用功能多为连廊、观光区与大型会议室等，其结构功能为可有效控制各塔楼的变形。连接体位置多设置于两侧塔楼的高处，连接形式主要分为两种，即凯旋门式或连廊式。凯旋门式，适用于塔楼宽度等一致的情况，采用对称布置形式；连廊式，顾名思义，即将塔楼间的连接体作为连廊应用，多采用钢桁架形式，跨度较大。连接体与塔楼的连接方式分为两端刚接、铰接，一端刚接一端铰接，滑动连接等。

（3）大底盘。高层连体结构中为提高商业利用价值，会将建筑下部的楼层设计为商业用房，多将其设计为大空间，扩大占地面积，设置为框架结构，这种大开间裙房即为大底盘。大底盘与主楼可相互连接，或相互独立均可。

连接体与塔楼连接形式分为两种，即强连接及弱连接。强连接，要求连接体刚度较高，可有效协调连接体的内外应力并控制变形，多设计为两端刚接或铰接；弱连接，即连接体刚度不足，不能对塔体的内力与变形形成较强控制作用，则会将一端铰接另一端，形成滑动支座[2]。

2 高层建筑连体结构特征

（1）扭转效应。在荷载作用下无连体的多塔体结构会相互作用，尽管设有大底盘，但是因底盘体量大、刚度大，各塔楼变形与受力也是独立的；多塔体结构中因有连体结构会对塔楼变形形成约束作用，充分发挥结构体间的相互作用。在风雨地震等荷载作用影响下，建筑连体结构会产生平动变形，同时还会出现扭转变形，而扭转效应也会随着塔楼不对称性的增加而加大，连接作用越强，则扭转效应表现越突出。

（2）连体部分受力关系复杂。因连体部分需协调两侧塔楼变形，处于水平荷载下内力水平过高，而另一部分楼层的楼板与梁在两端塔楼的同方向振动与相对振动作用下，受力更为复杂。为确保建筑结构安全，现行建筑行业规定中提出连接体结构需加设钢梁、钢桁架与型钢混凝土梁，型钢置入主体结构一定深度（要求必须一跨），并进行锚固处理。对此，需进行以下处理：加大边梁截面面积；楼板厚度＞150mm，选用双层双向钢筋网，横纵方向上每层钢筋网配筋率应准确计算，配筋率应＞0.25%。

（3）连接体两端与塔楼的连接方式。连接体承受的荷载主要为恒载与活载，需协调两端连体变形或振动产生的作用力。通常连接体与塔楼连接形式的选择是优化连接体自身结构属性的关键所在，连接方式必须依据结构、构件特性以及所处位置进行确定，具体连接形式为刚性连接、铰接、滑动连接[3]。当连接方式为刚性连接或铰接，连接体与塔楼则连接形成一个整体，分担荷载。当选择滑动连接时，塔楼各自独立，连接体受力水平低，此时设计应更加注重地震作用下连接体滑落或相互碰撞问题的处理。

3 实例分析高层建筑连体结构设计

某项目地上面积为43249.5m2，地下面积为16000m2。该项目地上8层，层高为4.5m，地下1层，层高为6.0m。该项目建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0，设计使用年限为50年，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，抗震设防类别为丙类。

3.1 结构体系及结构布置

该建筑为大跨度连体结构，共有两个塔楼，均为钢筋混凝土框架—剪力墙结构，柱网尺寸为9m×9m，主体混凝土结构楼板采用的均为钢筋混凝土全现浇主次梁楼盖体系，选用强度为C30混凝土。连体跨度为63m，采用钢结构桁架，圆形展厅区域中的大悬挑为钢桁架结构，展厅顶部椭圆造型为单层网壳结构，西侧悬挑区域采用型钢混凝土柱+型钢混凝土梁结构。

3.2 抗震性能目标

基于性能的抗震设计中，对抗震设防类别、烈度，同时兼顾结构的特殊性将该结构抗震性能目标设定为C级。因该项目中建筑结构复杂，连体、悬挑展厅、斜柱等部位受力复杂，需依据各部位受力状态对特殊构件进行差异化设计。

3.3 结构计算分析与结果

（1）结构体系特征。该项目中建筑为复杂高层结构，特征如下：①建筑结构为大跨度连体结构，连体结构中独立部分采用相似的平面布置方案，刚度、体型相近。但是因两侧塔楼体型与刚度差异较大，地震作用下出现45°夹角，选用弱连接形式，在风雨地震荷载的共同作用下，不能对两侧塔楼变形与受力形成有效约束。为此，连体结构与主塔楼选用刚性连接方式，深入塔楼一跨，为型钢混凝土结构，为水平力的传递创造了有利条件。②结构西南角位置设有展厅，跨度达32m，展厅电梯间周边设有剪力墙核心筒，以作为二道防线。展厅为双方向钢桁架，构件重量轻且美观。③大跨度展厅上方为椭球型屋盖，为单层网壳结构。因网壳下方的展厅对非对称大跨度结构，使得网壳支座出现了初始位移，对网壳结构稳定性进行分析时针对初始位移与不考虑初始位移模型开展包络设计。④建筑结构东侧为悬挑结构，长达为15m。斜柱结构采用了两种形式，分别为两个方向型钢混凝土与单方向型钢混凝土。受力方向上的钢筋连续，采用单方向型钢混凝土、另一方为混凝土结构形式。假设存在单层失效情况，且只有一榀斜柱承担工况开展验算可知，需适当增加结构冗余度。

（2）多遇地震分析。该工程多遇地震分析计算选用YJK、MIDASGen软件，结合偏心地震、双向水平地震与竖向地震等综合作用，同时兼顾扭转耦联、斜交抗侧力构件等多重影响，应依据楼层进行逐级加载，连体部分应对主体施工进行考量，完成后再进行一次性加载。

计算结果如下：楼层最大层间位移角、剪重比与刚重比等满足规范要求；在偶然偏心水平力作用下，楼层两端的抗侧力构件层间位移值进行比较，位移最大值与平均值之比大于1.2，分析确定为扭转不规则结构。但是因连接体的存在，四层至七层的侧向刚度比不满足规范要求；六层受剪承载力本层与相邻上层，其比值不满足规范要求。结构设计时需扩大关键部位柱截面面积，同时提高竖向与斜撑构件抗震等级。基于上述内容，项目选用框架—剪力墙结构。

该工程选用YJK软件进行分析计算，选取两组人工波与五组天然波开展多遇地震下弹性时程分析。经分析发现，多遇地震作用下弹性时程层间位移角小于1/800，七组时程曲线最大楼层弯矩、剪力平均值均低于反应谱计算结果。

（3）设防地震验算。主要型钢混凝土柱验算，构件整体抗剪承载力余量大；对展厅悬挑桁架与大跨桁架强度应力比进行中震验算，分析可知应力均符合地震控制要求。此外，对中震作用下的墙体结构进行受拉验算，发现墙体出现拉应力情况较少，需优化墙体竖向配筋率方案。

（4）弹塑性时程分析。该建筑连体结构在罕遇地震情况下出现非线性行为，改变了连接体结构的应力状态，只有结构具有大震动力弹塑性，方可控制罕遇地震对于连体建筑结构的破坏作用。经弹塑性时程分析可知，建筑结构剪力与小震弹性数值之比为3.5倍，符合规范。模拟地震构建模型，连接体在地震作用下会出现双向偏移，经计算双向层间位移角最大值分别为1/127、1/117，低于规定限值（限值为1/100）。

4 结束语

综上所述，因高层建筑连体结构层数较多，形式多样，受力状态复杂，需依据建筑结构的具体形式，选用适宜的结构布置方案和连接方式，通过时程分析、模型计算等确定各项参数，优化设计方案，并对薄弱部位或关键构件进行加强处理，以提高建筑结构的稳定性和安全性。