绿地智慧之心高位大跨连体结构分析与设计

梁 立，刘 璇，李 邈

(四川中泰联合设计股份有限公司，四川 成都 610000)

1 工程概况

绿地智慧之心项目位于四川省德阳市生态智谷核心区，为集智慧办公总部、城市规划馆、五星级酒店、办公及商业街等为一体的城市智慧商业综合体，建筑面积约34 000 m2。本工程6号楼为高位大跨连体结构，地上19层，地下2层，主体结构为两个钢筋混凝土框架-剪力墙结构，其中左塔主要功能为办公，平面为约65 m×19.8 m的矩形，房屋高度65.150 m，1层、2层层高为4.9 m，15层、16层层高3.6 m，其余层层高为3.2 m；右塔主要功能为五星级酒店，平面为约59.6 m×21.7 m的矩形，房屋高度74.150 m，1层～4层层高为5.2 m，5层层高2.20 m(酒店设备转换夹层)，其余层层高为3.6 m。两侧结构在标高48.200 m～55.400 m(左塔为15层、16层，右塔为13层、14层)通过连接体相连成为一体，连接体部分采用钢结构，层高为7.2 m，跨度为33.2 m。建筑效果图如图1所示，连体桁架结构立体图及结构剖面如图2，图3所示。

结构设计使用年限为50 a，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，抗震设防类别为标准设防类，建筑场地类别为Ⅱ类，地震分组为第一组，结构安全等级为二级。结构混凝土部分阻尼比为0.05，连接体钢结构部分阻尼比为0.02[1]。连接体部分分析设计时考虑竖向地震作用[2]。50 a重现期基本风压为0.3 kN/m2，位移计算按照基本风压0.3 kN/m2采用，承载力计算按照基本风压的1.1倍采用[3]。

2 结构体系的合理选择

根据结构的合理性及经济性，并结合建筑的相关使用功能要求，最终将钢筋混凝土框架-剪力墙结构定为结构最终方案，其中结构剪力墙大部分布置在建筑的楼梯、电梯间。右塔4层层高5.2 m,5层为设备转换层，层高2.20 m，6层为酒店客房层，层高3.6 m。经计算，4层侧向刚度远小于上部楼层的侧向刚度，竖向刚度突变，为比较严重的薄弱层，结构损伤严重。通过多种方案比较后，最终决定将设备夹层并入酒店客房层，即5层层高为5.80 m。在5层楼面设置2.20 m的架空层作为设备转换层，通过密布小柱支撑在5层楼面上设置架空层的楼板，并且与主体竖向构件脱开处理。

在双塔连体结构中，根据连体结构与塔楼的连接方式，可将连体结构分为弱连接和强连接两种形式[4]。鉴于本工程连体部分位置较高且跨度较大，滑动支座所需预留的足够滑移量对建筑立面效果、幕墙设计等有较大的影响，最终决定本工程连接体与塔楼的连接方式采用安全度较高的强连接。

连接体的主体结构采用钢结构，在楼层上部设置2榀钢桁架，用于承托屋顶荷载，桁架下设吊柱，用于承担楼面荷载。桁架高度为3.6 m，跨度为33.2 m，其中上下弦、腹杆均采用方钢管，桁架所有节点采用刚节点。2榀桁架平面结构之间采用焊接H型钢梁进行连接。结构楼板加强范围为连接体楼板和连接体两侧各一跨的范围内的楼板，加强范围内板厚均采用200 mm厚钢筋混凝土楼板。

为保证连接体和与连接体相连的主体结构有可靠连接，相连的竖向构件采用型钢混凝土柱，并向下延伸两层，向上延伸一层；左右两侧与连接体相邻跨的梁均采用型钢混凝土梁。

3 结构的性能化目标

根据本工程的特点，设定结构性能目标为：小震作用下，所有构件、节点均处于弹性；中震作用下，构件及楼板弹性；大震作用下，连体结构的钢构件产生少量的塑性铰，两侧塔楼主要抗侧力构件不屈服，楼板不屈服。

4 多遇地震作用下计算结果

连体结构受力性能复杂，在结构设计时，应尽量使左、右塔单体结构的整体抗侧刚度接近。而两栋塔楼的整体刚度可以由其水平荷载下的位移近似反映，若两塔楼整体位移接近，则可近似认为塔楼整体刚度接近。另外在塔楼连接部位的位移如果一致，则连体部分及其相关联部分因协调变形而产生的内力会减小，从而使连体部分的受力更合理[5]。

4.1 结构整体计算结果

本工程采用ETABS和盈建科两种结构计算软件，分别对结构多遇地震作用下的反应进行了相应分析计算，表1为结构整体计算结果，单塔计算结果见表2，表3。

表1 连体结构计算结果

表2 左塔结构计算结果

表3 右塔结构计算结果

由表3可以看出：1)连体模型由于连体的存在出现多种复杂的振型，塔楼之间通过连体相互影响并传递地震力。2)连体模型X向周期大小介于左、右塔之间，致使左塔变柔、右塔变刚；Y向周期变化不大。3)连体模型无明显的扭转周期，以扭转因子较大的第三周期与第一周期之比为0.834，满足规范要求。

4.2 楼层剪力和层间位移角

各模型层间剪力图及位移角分别如图4，图5所示。

由图4，图5可以看出：1)在X方向上，由于左塔刚度大于右塔，层间剪力基本上是左塔连体模型大于左单塔模型，右塔连体模型则小于右单塔模型；2)在55.400 m标高处，左、右塔内力突变，证明连体在该标高处受力较大，而在48.200 m标高处变化不大；3)在Y方向上，由于连体刚度弱且两塔刚度接近，层间剪力变化不大；4)由于左塔需拖拽右塔，左塔层间位移角在X向变化较大。

4.3 水平位移和楼层位移比

各模型层间位移及位移比如图6，图7所示。

由图6，图7可知，结构扭转位移比除按连体模型复核外，另采用单塔人工复核，最终控制值为Y向1.32，连体及单塔模型均满足规范要求。

4.4 弹性时程分析计算

在弹性反应谱分析的基础上，根据规范要求选取了2条天然波和1条人工波，分别对结构进行了弹性时程分析。经多条波谱平均地震影响系数曲线与反应谱的地震影响系数曲线对比，在结构的前3阶周期点上，相差小于20%，满足在统计意义上相符的要求。

经计算，本工程的底部剪力均符合《抗规》的相关规定。在后续设计过程中，地震作用按照时程法计算结果的最大值与振型分解反应谱法计算结果进行包络取值(见表4)。

表4 基底剪力计算结果

5 连接体设计

由图4可见，左、右塔的层间剪力在连体层有明显突变，因此对连接体需加强设计，保证内力的有效传递。

5.1 连接体楼板设计

为了确保在中震作用下，楼板保持弹性工作状态，不出现贯通性裂缝，多遇地震作用下采用软件ETABS以反应谱法进行楼板应力分析，结果如图8，图9所示。

由图8，图9可以看出：1)小震作用下，连体结构顶板X向平均楼板拉应力约为底层楼板处的2倍，达0.76 MPa。2)由于左、右塔Y向刚度接近，剖面处平均剪应力较小，仅0.08 MPa左右。3)在楼板的角部，有一定应力集中的现象。

由于本工程为连体结构，连接板两端的主体结构振动特性不同，在地震作用下，主体结构不仅会发生同向运动，还可能发生相向运动，会显著增大连接板由于协调主体结构变形而产生的平面内内力[6]。因此采用时程分析法进行补充计算，采用截面切割，分别提取连体Ⅰ-Ⅰ，Ⅱ-Ⅱ剖面处楼板X向合力、Y向合力，见图10，图11。

由图10，图11可以看出，时程分析法计算出的楼板应力较反应谱法有不同程度的放大，其中连体顶层X向合力放大1.39倍，连体底层放大较小，约为1.05倍。

5.2 连体桁架设计

5.2.1 连接体楼板的计算模拟

连体结构在整体分析中如何真实反映连体层的行为为设计的关键。连体楼层若采用刚性楼板假定，则桁架上弦杆在任意工况下内力均为零，与实际情况不符；另外，对比局部弹性楼板(连体范围楼板为弹性，其余楼板为刚性)和全弹性楼板两种假定，可以发现：桁架腹杆轴力相差较大，且周边竖向构件剪力也有较大差异。局部弹性楼板假定和全刚性楼板假定下周边竖向构件内力接近，这表明刚性楼板这一假定会强制各个单体竖向构件协同工作，与实际情况并不相符，因此整体模型计算时连体及连体所在楼层楼板采用全弹性假定，其余层采用刚性楼板假定。而桁架设计时，则需在静载工况忽略楼板作用，即假定模型连体部位为0板厚，重新复核杆件内力[7]。

5.2.2 连接体施工次序

由于此项目连体桁架位于48.200 m～55.400 m，双塔连接位置相对于各单塔中上部，连接位置较高，且连接体实际跨度33.2 m，跨度及自重均较高，故对于连体施工的可行性及连体和两塔间的施工次序也成为本项目影响设计的重要因素。根据已施工的连体结构经验及本结构的特点，首先施工左、右塔至主体完工，再整体提升连体钢桁架层，然后以此为工作平台安装其余部分[8]。结合上述施工次序，对结构进行施工模拟分析，并考虑混凝土收缩和徐变的相关影响。

5.2.3 连接体竖向地震反应[9]

采用振型分解反应谱法和时程分析对结构进行竖向地震作用计算(见图13)。为进一步考察连体的受力情况，表5给出桁架腹杆及弦杆竖向地震作用和重力荷载作用下内力及其比值。由表6可知，结构杆件竖向地震作用系数最小可达9.3%左右，由此可知连体桁架充分考虑了竖向地震作用。另外，由于时程分析略大于反应谱的内力结果，故在进行桁架设计时，杆件内力尚应进行时程的补充分析校核，以保证结构在竖向地震的反应得到充分考虑。

表5 竖向地震作用下桁架腹杆轴力

5.2.4 连接体结构设计[10-11]

1)多遇地震(小震)作用。总体来说，在非地震组合和考虑竖向地震作用的多遇地震组合工况下，结构桁架的杆件内力较小，桁架整体仍处于弹性状态，其中，桁架端部为结构最大受力部位，桁架端部下弦杆⑨内力最大，其应力比为0.74(见表6)。

表6 小震作用下杆件应力比

2)设防烈度(中震)组合校核。桁架弦杆在中震作用组合工况下，最大内力仍为桁架端部下弦杆⑨，其应力比为0.79，计算表明，连体钢桁架在中震组合工况下基本处于弹性状态(见表7)。

表7 中震作用下杆件应力比

6 温度应力分析

本工程连体部位总长度为141.1 m，温度应力不能忽略，故应对结构进行水平温度效应分析。

本工程所在地区常年最低温度-1 ℃，最高温度34 ℃，根据施工情况预估结构关模初始温度为20 ℃，故最大降温温差取ΔT=-21 ℃。最大升温温差取ΔT=14 ℃。将升、降最大温差输入到地上各层，仅考虑混凝土结构部分的应力松弛及刚度折减[12]，可得到升温工况下，X方向结构两端往中心伸长约为6 mm；降温工况下，X方向中心往两端收缩约为13 mm。经计算，楼板最大正应力为1.3 MPa，最大应力部位在连接位置。根据上述结果，按规范要求组合进行配筋。

7 舒适度分析

本工程连体部分为大跨度混凝土楼盖结构，因此按规范要求进行楼板的舒适度分析[13]。

考虑到健身房的使用要求，设计时采用有节奏运动的人群荷载0.12 kN/m2，钢-混凝土楼盖的混凝土弹性模量放大1.35倍，得出楼板的第一阶竖向自振频率为5.8 Hz，根据规范要求分析楼板竖向震动有效加速度为0.18 m/s2，分别满足规范不小于4 Hz和不大于0.2 m/s2的要求。

8 罕遇地震下的性能评估

本工程主要通过PKPM-SAUSAGE软件对结构进行了罕遇地震下的弹塑性动力时程分析并评估其抗震性能[14]。根据规范要求，选取3组地震波记录(2组天然波和1组人工波)按主方向∶次方向∶竖直方向=1∶0.85∶0.65输入模型，其中地震波峰值加速度取220 cm/s2。

为全面考察结构在大震下的变形，罕遇地震作用下结构层间位移角详见表8。由表8可知，结构最大层间位移角满足规范关于框架剪力墙结构弹塑性变形能力不大于1/100的要求。

表8 大震作用下最大层间位移角

PKPM-SAUSAGE计算结果显示，罕遇地震作用下连体部分最大应力与其屈服强度之比最大值为0.97，中震弹性的设计能保证连体部分在大震作用下不屈服(见图14)。

9 结语

本工程为高位大跨连体结构，设计中通过对连体结构进行合理布置，确保双塔能够协同变形；采用性能化设计方法对结构进行了全面的分析计算，验证了本工程兼顾经济性的同时，能够有效保证结构的安全性。