连体结构传力机制分析及连接体抗震设计

陈文科，唐浩峰

（1重庆大学建筑规划设计研究总院有限公司，重庆 400045；2林同棪国际工程咨询（中国）有限公司，重庆 401121）

0引言

连体建筑往往因为其独特的建筑造型成为城市中的地标建筑。连体可解决高层建筑中两个独立高层塔楼间的交通问题。在有些高层建筑中连体不仅作为两个塔楼的交通联系，还具备一定的建筑功能。近年来中国涌现了几座优秀的连体建筑，如北京CCTV主楼[1]、重庆来福士广场、苏州东方之门、武汉保利广场[2]等。

受塔楼刚度、质量、连接方式和位置以及连接体高宽比等多种因素的影响，每个连体结构均有其自身的抗震设计思路。在连体结构中，连接楼层是建筑形体、功能的亮点区域，同时也是结构设计中关键的一环。清晰认识到连接体对结构地震响应的影响，评估连接体各构件的贡献大小，进而确定其性能目标是连体结构抗震设计的关键点之一。

某项目为非对称高位刚性连接的框架核心筒结构，建筑效果如图1所示。本文以连接体的设计思路和设计要点为立足点，尝试从刚度和承载力方面还原完整的抗震设计过程，以期为类似案例提供参考。

图1 项目建筑效果图

1 项目概况

该项目为昆明市某超高层建筑，是集多功能为一体的高密度大型TOD综合体项目，由两栋相互连接的塔楼和裙房组成。设防烈度为8度（0.2g），设计地震分组为第三组，场地类别Ⅲ类，结构安全等级二级。T1塔（高塔）为框架核心筒结构，结构高度为195.15m，高宽比为4.13；T2塔（低塔）为框架核心筒结构（核心筒偏置），结构高度为138.15m，高宽比为5.90。标准层平面图如图2所示。框柱自底部1500mm*1500mm渐变至1000mm*1000mm，剪力墙自底部1200mm渐变至顶层600mm。框架梁的典型截面为500*1000/900mm。竖向构件混凝土C60-C40，梁板混凝土强度为C40。该项目采用了消能减震措施，共采用了136套屈曲约束支撑、8个悬臂式阻尼桁架及168套粘滞阻尼器以减小地震力。文中意在说明连体结构本身的响应规律，故均采用非减震结构的分析结果。

图2 标准层平面图

连接体通过3层4个楼面刚性连接。连接体跨高比为1.5，由3榀主桁架和1榀次桁架以及顶层和底层的楼板面内支撑组成主传力体系。连体还存在最大悬挑长度为9.8m的附属结构。连体为钢结构，采用Q390钢材。连体平面布置图、立面图及剖面图如图3—图5所示。主桁架上下弦杆均为箱型截面，截面为700mmx700mmx40mm或700mmx700mmx30mm。斜腹杆为H型钢，截面为700mmx500mmx30mmx40mm。

图3 连体平面示意图

图4 主桁架立面示意

图5 次桁架立面示意

2 连接方式

该结构选用两栋塔楼强联系的刚接方法。它不仅承担了竖向荷载，还协调了两个塔楼在水平作用下的变形[3]。因此，连体最大程度提高结构刚度和冗余度，降低了构造处理难度。若采用通常的柔性连接，则支座需要复杂的构造处理，并且两栋塔楼显著的动力特性差异及高烈度影响因素使得滑动支座的行程难以满足。经与该项目的超限审查专家充分沟通，并结合实际情况，最终确定了刚性连接方案。

3 动力特性

连体结构振型丰富、平扭偶联加大。宏观理解结构振型有利于结构抗震概念设计。PKPM和ETABS计算的前6阶模态如表1、表2所示。ETABS计算的单塔的模态如表3、表4所示。

表1 连体前6阶模态（PKPM计算）

表2 连体前6阶模态（ETABS计算）

表3 T1塔前6阶模态（ETABS计算）

表4 T2塔前6阶模态（ETABS计算）

PKPM与ETABS结果反映了结构动力特性的一致性。T1塔因高度更高，比T2塔周期更长、刚度更柔。T2塔通过优化构件截面、设置防屈曲约束支撑的方式，最大程度减小了核心筒偏置造成扭转过大的影响，其扭转周期比为0.69。高宽比是影响结构周期的主因[4]，故T1塔与T2塔无法表现出一致的周期，从而形成刚度大的低塔帮助高塔的“帮扶机制”，这种帮扶机制使得连接体承受了巨大的弯矩和面内剪力。

得益于单塔动力特性的优化，连体前三阶周期几近解耦且各质量参与系数较高，前30个振型的质量参与系数便超过90%。自4阶振型开始，连体结构平扭偶联加大。如图6所示，连体结构X方向刚心、质心较大偏差是造成结构扭转效应的主因。结构的水平变形由3部分组成：第一振型下X方向平动（效应1）、扭转偶联产生的水平分量（效应2）、附加5%偏心距产生的水平分量（效应3）。

图6 结构变形分解示意

4 水平地震作用下的传力机制

4.1 Y方向地震作用下的传力机制

该结构在Y方向类似巨型门式刚架的受力机制。采用如图7所示力学模型，说明其受力特点：F1、F2产生的倾覆力矩为各构件承受弯矩的总和。令i3=∞，考察两杆轴力形成的力矩占倾覆力矩的比例κ，得到下式：

图7 结构受力简图

随着i3逐渐增大，受EF杆、BC杆刚度限制，κ与结构内力趋于稳定。当i3=∞时，EF杆与BC杆根据自身线刚度承担剪力，二者弯矩图相似，反弯点位于两杆各自的几何中点；BE杆的拉压由两杆线刚度的相对强弱决定。

据以上推导可知，B塔Y方向倾覆力矩由两部分组成：第一部分为反映两栋塔楼抗侧刚度的各构件弯矩的总和，第二部分为反映连接体连接强弱程度的拉压轴力产生的倾覆力矩，且第二部分占比存在上限κ。施加规定水平力，并将连接体宽泛地视为一根水平梁，得到B塔κ随连体刚度的变化，如图8所示。连接体的κ在18%处出现快速增长的拐点。总的来说，连接体受力类似小跨高比连梁，承受了巨大的弯矩和剪力。而连接体的顶层和底面的水平杆承受了弯矩，连接体腹杆承受了剪力。通过后文的内力计算，发现连接体腹杆内力大，性能控制较弦杆和面内斜撑困难。在Y向地震作用下，表现为T2塔帮扶T1塔。

图8 随连体刚度的变化关系

4.2 X方向地震作用下的传力机制

在X方向，两栋塔楼依靠楼板建立了弱联系作用，两栋塔楼受力类似悬臂杆。结构产生的总效应由效应1、2及3叠加组成（图6）。ETABS截面切割得到高塔通过楼面向低塔传递水平剪力，约6100kN。由细分各楼层承担的水平力可知，连接体的底层与顶层承担剪力较中间楼层略大。结合结构在Y方向水平地震作用下，连接体顶层与底层楼板作为翼缘因抵抗弯矩也会产生较大面内应力，因此连体顶层楼板较底层更加不利。综合考虑后，连接体顶层与底层楼板厚度为150mm，并设置面内型钢支撑，以缓解楼板应力并作为二道防线。

5 连接体的性能设计

5.1 计算条件的几点考虑

施工模拟会对结构自重作用下结构的内力产生影响。经与施工单位充分沟通，拟采用整体提升方式，且在两栋塔楼封顶后提升，施工加载步骤采用与实际施工次序一致的计算结果。

收缩徐变是混凝土材料的长期变形特点。连接体考虑徐变的长期绝对竖向变形为短期弹性变形的2.3倍左右。连体合拢后，后期荷载产生的竖向位移差约10mm。这种差异位移对连体杆件内力影响较小。

竖向地震作用对连体结构内力产生影响。对于整体结构而言，竖向地震对非悬挑及常规跨度的结构影响较小。而对于大跨连体结构的杆件而言，竖向地震下杆件轴力是重力荷载代表值下轴力的20%～30%左右，因此该项目竖向地震不容忽视，所以内力组合时竖向地震工况的标准内力采用三向地面运动输入的弹性时程分析结果。

5.2 设防水准下连接体性能识别

该项目连体设定的性能目标如表5所示。桁架A及连接体顶层面内斜撑在设防水准下的应力比如图9、图10所示。内力取考虑楼板刚度和不考虑楼板刚度的包络。杆件按照双偏压构件计算强度及稳定性。括号中所示为设防水准下的正应力比与剪应力比。桁架腹杆轴力普遍大于弦杆。但各构件的剪力均很少，在设防烈震下可很容易满足剪切弹性。

表5 连接体性能目标

图9 桁架A设防水准应力比

图10 连接体顶层面内斜撑应力比

5.3 罕遇水准下连接体性能识别

表6所示为对应杆件的等效中震、罕遇水准下弹塑性时程的控制内力。由此可见，设防水准下构件内力与罕遇水准下弹塑性时程得到的构件内力差异没有想象中大。其原因可能是，罕遇水准下较多构件进入塑性状态导致结构刚度下降。经过逐一杆件复核，在罕遇水准下发生塑性行为的构件数量较少。在楼板损伤不大的情况下，各杆件剪切保持弹性，少数腹杆正截面进入塑性状态。

表6 内力及应力对比

6 结论

（1）连体结构连接方式的选用需综合考虑设防烈度、连接位置、连接体的空间尺度和塔楼动力特性。

（2）连体结构需充分选取振型数。塔楼间建立强连接后单塔扭转振型受到抑制，单塔的平动相位差形成了连体结构的扭转效应。

（3）刚性连接的连体结构在顺连接体方向受力类似门式刚架，两栋塔楼间建立较强的联系作用；在垂直连接体方向，两栋塔楼依靠楼板传递剪力，形成较弱的连接。

（4）连接体受力类似小跨高比连梁，承受巨大的弯矩和剪力。上弦杆、下弦杆、楼板及面内斜撑共同承担了弯矩，腹杆则承担了剪力。

（5）连接体的设计应考虑施工次序、收缩徐变、基础沉降差异的影响。构件的设计尤其关注上、下弦杆和斜腹杆的正截面设计，而杆件的剪力水平常常较小。

（6）通过分析罕遇水准下非线性时程结果，发现连体个别斜腹杆进入塑性状态，其余构件均在弹性状态，因此该结构连体的整体设计思路清晰，可以达到构件确定的性能目标。