金山区公共服务中心大楼连体结构设计

朱江

【摘要】本工程为连体超限结构，结构设计面临多项困难。本文对结构设计思路进行全面阐述，分析了连体结构的受力情况及结构的安全性，对结构在各种工况下的整体计算进行了全面介绍，探讨了连体结构的分析与设计方法。

【关键词】建筑；连体结构；设计

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.038

1、工程概况

金山区公共服务中心大楼位于金山区龙山路。本工程由办公主楼（A区）及服务裙房（B、C区）组成。建筑总面积27351m2，主楼地上25824m2，地下室1557m2，主楼与服务裙房在一层以上通过设置抗震缝分开，缝净宽100mm。办公主楼地下一层，埋深约5.4m。地上15层，房屋高度为66.0m（不包括出屋面电梯机房）；其中一～三层层高5m，四～十五层层高4.2m。A区主楼在四层～十三层楼板缺失，立面上形成宽28.8m、高47.8m的大洞；十四～屋面层之间利用两层层高，沿外立面及内部电梯芯筒筒壁处共四榀钢桁架进行刚性连接。服务裙房（B、C区）为3层混凝土框架结构，层高5m。建筑立面如图1所示，结构空间模型如图2所示。

主楼采用框架-剪力墙连体结构，十四～屋面层之间利用两层层高，沿外立面及内部电梯芯筒筒壁处共四榀钢桁架进行刚性连接。抗震设防烈度为7度[1]，设计地震分组为第一组（设计地震加速度值为0.1g），场地特征周期为0.9s[1]，场地类型为Ⅳ类（上海地区）；水平地震影响系数最大值采用0.08（多遇地震）[1]；时程分析所用地震加速度时程曲线的最大值为35gal[1]，抗震设防类别为丙类。工程于2007年建成，设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级；地基基础的设计等级为甲级，安全等级为二级。

2、结构超限判断

按照现行规范[1～2]对结构是否超限进行判断：

①结构高度超限判断：本工程A区大屋面标高65.4m，室内外高差0.60m，建筑高度为66.0m，小于规范限值120m，满足要求。

②结构高宽比、长宽比：本工程A区平面长87.6m、宽15m，高宽比为4.76，小于规范限值5；长宽比为5.84，小于规范限值6.0；均满足要求。为满足使用功能要求，A区混凝土采用后浇带分段浇筑施工，不另设伸缩缝。

③平面规则性：本工程A区三层楼板北侧凹入为7.0m，但小于相邻下一层的30%*29.75=8.925m；同时电动扶梯开洞4.5m～11.6m，局部楼板不连续，但有效楼板宽度与楼板总宽度比值为（29.75-7.0+4.5）/29.75=61%，大于50%；属平面规则。

④立面规则性：本工程A区局部裙房高度大于主樓总高度的20%，在四层北侧立面收进12.25m，大于相邻下一层的30%；同时在四层～十三层楼板缺失，造成竖向构件布置不连续，属竖向不规则。

⑤本工程属于复杂结构中的连体结构，为竖向特别不规则的复杂高层建筑。

3、结构计算分析

3.1 结构计算结果

本工程计算采用PKPM系列软件中的SATWE和ETABS（集成化的建筑结构分析与设计软件系统）：SATWE设计软件计算模型按连体①型（四层～十三层按双塔计算），连体②型（四层～十三层按单塔计算），单塔，双塔（十四层～十六层连体部分去除）共四个模型进行计算比较；ETABS设计软件采用了分块无限刚加中间弹性板模块进行计算分析比较。

主要计算参数

（1）抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组（设计地震加速度值为0.1g），场地特征周期为0.9s，场地类型为Ⅳ类（上海地区）[1]；

（2）采用振型分解反应谱法和时程法计算结构响应，振型数取24个，各振型贡献按振型组合方法CQC（完全二次项平方根法）组合；经计算X和Y向有效质量参与系数为94%以上，均大于90%；

（3）地震作用考虑双向地震作用和5%的偶然偏心[1]；

（4）楼层侧向刚度按等效剪切刚度计算；

（5）本工程外墙为玻璃幕墙，内隔墙采用轻质加气砌块，不采用填充砖墙，周期折减系数取0.90；

（6）连接体结构采用弹性楼板假设进行整体分析；

（7）本时程分析采用符合上海地区Ⅳ类场地及设计地震分组的三条加速度时程曲线，其中NIN-4和NIN2-4为两条实际地震地面加速度时程曲线，SHW1-4为一条人工模拟地震地面加速度时程曲线，这三条曲线的最大加速度幅值为35gal，可以用于7度多遇地震作用时程分析。

多遇地震作用的计算结果对比见表1所示，多遇地震作用下弹性动力时程分析结果对比见表2所示。

3.2 计算结果分析

3.2.1 SATWE软件四个计算模型结果显示：

（1）单塔和双塔模型计算结果的周期，位移等主要参数基本一致，单塔和双塔中一个塔的塔底（四层）位置的水平地震力间相差不大，比较接近；但在单塔模型二～三层出现最大层间位移角与平均层间位移角的比值大于1.4，经分析发现，单塔模型因一侧塔楼删除，造成该侧部分水平地震力较小，位移很小，平均层间位移角约为1/5000，同时单塔和双塔最大层间位移角基本接近；单塔模型此参数可不作为控制指标。

（2）双塔、连体①型和连体②型计算结果主要参数基本一致，其中双塔（最大位移/平均位移）最大值较大，为了协调两个塔块，连接体楼层楼板应加厚为150mm，计算模型中此部分楼板按弹性楼板假定进行计算。

（3）连体①型计算结果显示结构相对抗侧刚度在十一～十三层刚度与上层刚度70%的比值和本层刚度与上三层平均刚度80%的比值中的较小者相比小于1.0，程序判断为薄弱层；但对结构刚度比进行分析后发现，此刚度比为连接体下部一个塔楼的刚度和上部连接体的刚度比值，实际应该为连接体下部楼层两个塔楼的刚度之和与上部连接体的刚度比；在连体②型以及ETABS计算结果显示结构相对抗侧刚度比满足要求，無薄弱层；但考虑到连接体下部楼层需要加强，故设计时十一～十三仍旧按地震力放大1.15倍进行设计。

3.2.2 SATWE、ETABS两个软件计算结果显示，两个软件的计算结果主要参数基本吻合，具有可比性，说明选用的计算软件对连体结构计算是可靠的，可以作为连体复杂结构的设计依据。

3.2.3结构的主要计算指标均符合规范要求；

具体如下：

（1）两个程序计算得到的第一振型均为X向平动，扭转振型为第三振型，同时第一扭转周期/第一平动周期小于0.85；

（2）计算的最大层间位移角为小于[1/800]；最大层间位移/平均层间位移=1.20<[1.40]；

（3）结构剪力墙和框架柱的轴压比满足规范要求；

（4）对二、三层中间跨度为15.8m的框架梁进行挠度验算，f=<[1/400]，满足规范要求；

（5）对连接体的四榀钢桁架进行计算分析，挠度和强度均满足规范要求；

⑹ETABS设计软件采用了分块无限刚加中间弹性板模块，进行计算分析；连体部分的楼板在地震工况下剪力；其中楼板剪力区域最大值约为200kN/m，和Vy（十四层的Y向地震剪力）/2/B（楼板宽度）=6987kN/2/15.8=221kN/m数值具有可比性，设计时楼板配筋除考虑弯距外，还应考虑楼板所受的剪力，并且要适当放大。

⑺地震作用下结构的层剪力沿竖向分布无明显突变；

⑻经过分析，时程分析计算结果与反映谱分析的结果有较大的可比性，三条波分析得出的相对薄弱层为四层和十三层，因而在施工图设计时需要进行适当加强：指定四层和十三层为薄弱层，同时剪力墙底部加强区高度伸至四层。

结语：

本工程属复杂结构中连体结构的超限高层建筑[2]。结构设计通过对各种模型进行了两个计算软件的详细分析对比表明，选用的计算软件和分析方法对复杂连体结构计算可靠，可以作为连体复杂结构的设计依据。同时根据时程分析计算结果，对结构四层和十三层两个薄弱层采取了有效的加强措施，减少了体型不规则带来的对结构抗震不利影响，使得结构具有良好的抗震性能，满足现行规范和规程的要求。

参考文献：

[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程.北京：中国建筑工业出版社，2010.

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