多塔复杂连接超限高层结构设计

李红晓 LI Hong-xiao

（西部建筑抗震勘察设计研究院有限公司，西安 710054）

0 引言

多塔连体超限高层建筑的结构一般比较复杂，在结构中，存在一些不规则情况，比如楼板不连续、刚度突变，分布不均等，很容易影响建筑结构安全。因此为保障建筑结构安全，必须要进行多塔楼复杂连接超限高层结构设计分析，结合实际超限情况，采取有效的应对设计措施，从而更好地保证建筑结构安全。

1 工程概况

现有某建筑工程项目，项目建设用地面积24862m2，总建筑面积139785m2，其中地上建筑面积99763m2，地下建筑面积40022m2，共有两层地下室。在该工程项目中，共设计有两座办公楼，其中1座位于西南方向，属于办公主楼，层数为26层，总建筑高度为91.5m，建筑结构形式为框架—核心简结构，可以简称“A塔”[1]。另一座是办公楼位于西侧，建筑层数为19层，总建筑高度为66.5m，建筑结构形式与“A塔”相同，该塔楼可以简称“B塔”。同时在东北方向上，还设计有办公裙房。在5至7层与17至19层属于“A塔”与“B塔”的连接层，采用了钢连廊连接，其中连廊与A、B塔连接方式如图1所示。裙楼与塔楼均有着较高的抗震设防标准，具体为丙类，抗震设防烈度为7度。该建筑项目设计地震分组为第一组，特征值周期为0.35s。建筑项目的安全等级为II级，设计使用年限为50年，基本风压为50年一遇，具体风压数值为0.40kN/m2。

图1 连廊与A、B塔连接示意图

2 多塔复杂连接超限判定

在本工程项目中，针对多塔复杂连接超限判定，需要参考多种规范，比较典型的有“高规”，即《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3——2010）[2]。除此之外，还应考虑建筑抗震方面的审查规范，在这一过程中，需要参考最新的《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质[2015]67号）提出的要求。在上述规范标准的指导下，需要分析其中的不规则情况。比如在本工程项目中，“A塔”存在两处不规则情况，一是扭转不规则情况，二是局部跃层柱情况。尽管不在超限结构范畴内，但由于与“B塔”相连，因此仍属于“复杂连接”。

对“B塔”而言，经过不规则情况分析，共发现了四处不规则点：①扭转不规则，容易失稳；②刚度突变，分布不均；③楼板不连续；④局部跃层柱。因此在“A塔”与“B塔”连接后，属于不规则复杂连体超限高层。

3 多塔复杂连接超限应对处理

3.1 应用隔震支座与黏滞阻尼器，改善连接结构稳定安全性

在本工程项目中，“A塔”与“B塔”之间，采用了钢连廊进行连接。在连接位置处，采用了铅芯橡胶隔震支座与球节点支座，以梁端为例，具体支座节点如图2所示。

图2 梁端隔震支座节点示意图

在本工程项目中，为进一步提升钢连廊连接的稳定性，在连廊与塔之间，还采用了黏滞阻尼器。具体数量为：在X方向上，布置了4个黏滞阻尼器；在Y方向上，布置了8个黏滞阻尼器。

3.2 设计刚度较高的跨层BRB，改善结构刚度分布情况

在本工程项目中，由于“B塔”属于双塔连体结构，而针对每个塔的核心筒，实际偏置情况比较严重，这很容易导致结构刚度分布不均，影响整体结构安全。为解决这一问题，本次设计采用了刚度较高的跨层BRB，能够有效改善“B塔”结构的刚度分布情况。其中跨层BRB的设计参数如下：①采用了Q235钢材类型；②设计承载力为7500kN；③等效截面积为35983mm2；④初始刚度为15×105kN/m；⑤屈服后的刚度比值为0.03。

3.3 采取楼板加强措施，解决楼板不连续问题

在本工程项目中，由于面临着多层通高的情况，或者存在大开洞问题。由此导致了楼板存在不连续现象。其中在楼板的局部位置，有效宽度在50%以内，这显然不利于结构安全。因此在实际设计时，需要对上层结构的楼板进行加强处理。首先，本工程楼板可以采用现浇混凝土楼板，要求楼板的厚度在150mm以上。楼板配筋应采用双层双向配筋方式。同时对配筋率也要严格要求，比如在本次加强设计中，要求楼板配筋率应在0.25%以上。如有必要，还可以对楼板进行有限元分析，完成应力的补充。然后在后续施工图设计方面，做好应力补充的落实，从而有效实现楼板的强化，解决楼板不连续问题。

3.4 做好跃层柱的处理，满足结构承载要求

在本工程项目中，由于建筑结构为框架-核心筒结构，再加上为满足建筑办公的需要，设置了一些框架柱，比如局部跃层柱与大开间柱。上述这些框架柱结构主要承载的是竖向荷载以及侧向荷载，为保障整体建筑结构的稳定性，必须要确保其有着足够的承载力。因此在上述框架柱中，可采用型钢混凝土柱，这种类型的柱体结构有着非常高的承载力与延性，能够满足本工程跃层柱荷载承载要求。除此之外，还能够控制底部框架柱承载力满足小震弹性、中震不屈服的设计要求。

4 多塔复杂连接超限结构分析

4.1 塔楼对钢连廊地震放大效应影响

在本工程项目中，如果发生地震地质灾害，那么受地震作用的影响，主体结构会直接承受地震的荷载，然后还会进行荷载传递，最终由连廊支座承受。在地震传递过程中，相应的荷载振动效应会被放大，带来更加严重的影响。为了能够量化这种影响，需要计算地震振动放大效应数值。在计算分析时，可采用单塔模型，采用时程分析方法实现分析目标。在实际分析过程中，需要在基底输入时程波，该时程波的加速峰值为220gal。在实际监测时，选择单侧塔楼支座作为监测位置，分析时程波加速度响应。在具体进行分析时，可选择三组地震波。其中一组为人工波，剩余的为天然波。然后，分别开展计算分析。最后，再将塔楼监测点加速度与地面时程加速度峰值进行对比，即可得到结论。比如在本工程项目中，从最终对比分析结果（如表1所示）来看，在受到地震作用影响后，塔楼高位连廊的存在，会进一步放大这种地震效应影响。因此为更好地保障结构安全，针对塔楼空中连廊，必须要做好抗震验算工作，确定合理的地震放大系数。本工程项目中，地震放大系数确定数值为2.0。

表1 监测点与地面时程加速度峰值对比

4.2 结构动力弹塑性时程分析

在本工程项目中，针对结构动力弹塑性时程分析，需要采用SAUSAGE软件。在实际分析过程中，采用了1条人工波与2条天然波[3]。在实际输入地震波的过程中，应结合工程项目实际，按照抗震设防烈度7度对应的地震，在主震动方向上设置220gal加速度峰值，并做好调幅工作。在实际分析过程中，均选择应用三向地震波，在输入地震波时，基于不同的方向，设计好不同的输入比例。比如按照水平主方向、水平次向以及竖向方向，输入比例可以控制在1∶0.85∶0.65。

通过上述分析，完成对不同楼层建筑的墙梁、墙柱、框架柱性能水准分层统计。从统计结果来说，受地震作用的影响，墙梁结构将会出现比较严重的损伤，因此也能够消耗大部分的地震能量。而框架柱损坏程度较轻，很多均没有损坏的痕迹。而墙柱损坏程度最轻，绝大部分无损坏，少部分的损害程度也比较轻微。在A塔中，在10层与19层边墙柱位置，损坏程度比较严重。通过进行损坏评估，已经达到了中度损坏的标准。通过实际分析可知，第10层与19层均具有结构特殊性。其中前者属于避难层，后者悬挑比较大，因此在地震影响下，应力集中比较明显，更容易加剧损坏程度。通过分析剪力墙墙体的损伤可知，在地震作用的影响下，这种损伤属于剪切型压缩损伤，而边缘构件没有明显损害的迹象。因此为改善上述问题，减少结构损伤，可以在实际设计时，注重做好关键楼层（比如上述提到的避难层等）墙身水平分布筋的设置。而针对钢结构部分损坏分析来看，针对连廊斜撑构件与B塔桁架构件，本身不存在损坏情况。由此可知，上述钢构件有着较强的结构弹性，因此即使受到地震作用的影响，也不会受到损伤。

在地震作用影响下，通过分析铅芯橡胶支座与黏滞阻尼器时程结果可知，受地震作用的影响，橡胶支座发生了一定的侧向位移。且位移程度不一，其中最大位移为150mm，这一位移距离在产品位移设计值与变形缝宽允许数值之内，因此能够满足位移要求，保障了结构安全。而对黏滞阻尼器来说，在地震作用下，同样出现了位移，其中最大位移为135mm，也在产品设计值范围内。而该装置的最大输出力为409kN，在产品设计值范围，不会出现安全问题。最后，通过对刚度较高的跨层BRB进行分析，在地震作用影响下，该跨层最大拉力与最大压力分别是8050kN、8118kN，均在BRB屈服承载力范围之内，由此可知，在地震作用影响下，橡胶支座仍处于线性性工作阶段，主体结构自身刚度基本不会出现削弱现象。

4.3 地震作用下整体分析与连廊对塔楼结构带来的影响

在实际进行整体分析时，需要围绕单塔模型，计算地震作用带来的影响。在本工程项目中，考虑到地震带来的影响，在实际计算时，针对支座受力，只进行了重力荷载质量转换，没有考虑连廊受地震放大因素的影响，对两侧塔楼带来的动力荷载。因此在实际进行包络分析时，还需要围绕塔楼间的连廊结构，完成减震效果的整体性分析。在实际分析过程中，需要运用“PKPM-SATWE”与“ETABS”软件。在上述软件的帮助下，可以建立工程项目整体结构模型。然后利用该模型，选择在多遇地震条件下，完成结构弹性分析。结合弹性分析结果，并与整体模型与单塔模型前三阶振型周期进行对比，从最终结果来看，整体模型的周期介于单塔模型的A塔与B塔之间。与此同时，在整体模型中，通过对各分塔的楼层剪力进行统计，并对比整体模型分塔与单塔模型各单体的楼层剪力，最终结果如表2所示。从表2可知，与分塔模型相比，在X方向与Y方向上，整体模型首层楼层剪力均有所降低。由此可知，整体模型在19层及以下，单塔模型的楼层剪力结果要高于整体模型的楼层剪力结果。基于此，在连廊与主体结构之间，可以形成与“调频质量减震系统”比较类似的一种减振效益。另一方面，对整体模型而言，在19层及以上位置处，相较于单塔模型楼层剪力，整体模型的楼层剪力更大，因此如果在实际设计时采用单塔结构设计方式，那么在确定连廊楼层剪力数值时，必须要与放大系数相乘，才能获得更加准确合理的结果。

表2 单塔模型与整体模型第一层楼剪力统计对比结果

4.4 连廊关键构件失效分析

为了保障连廊结构安全，在本工程项目中，还需要考虑在连廊一些关键构件失效后，是否会出现连续倒塌的问题。在实际分析时，可采用拆除构件法。从“高规”相关规定来看，在完成构件拆除工作后，针对余下的结构构件，承载力应满足Rd≥βSd公式要求。在上式中，Sd代表的是余下结构构件效应设计值；Rd代表的是余下结构构件承载力设计值；β代表的效应折减系数，不同类型构件，折减系数取值也有所不同。比如针对中部水平构件，β取值为0.67；针对其他类型构件，β取值为1.0。从最终的计算结果来看，在拆除连廊的一些关键杆件后，比如腹杆、上下弦杆等，均没有出现连续倒塌现象。

连廊上支座也是一项非常关键的构件，在该失效后，是否存在连续倒塌问题，还可以采用非线性动力分析方法。这种方法的具体实施步骤如下：首先，应用“PKPMSATWE”与“ETABS”软件构建初始模型，确定具体的失效构件。随后，还需要结合实际，获取相应构件的节点。然后，再利用上述软件建立等效静力模型。在分析时，先拆除失效构件，查看模型变化情况。与此同时，还需要在相应位置处，施加反向节点力，促使结构保持平衡。最后，采用一定的速度，将节点力移除，即可进行非线性动力时程分析。在本工程项目中，针对单个支座失效，连廊会先出现一定的变形，然后变形逐步趋于稳定。从中可知，上支座失效后，结构并没有出现连续倒塌的问题，由此可有效保障整体结构的安全稳定性。

5 总结

总而言之，在本工程项目中，建筑结构属于典型的多塔连接复杂结构，为保障结构安全，需要进行超限分析，并从设计层面入手，解决各种问题。在这一过程中，需要从不同角度出发，结合结构体系内容，分析在地震荷载作用下，对结构带来的影响，比如塔楼对钢连廊地震放大效应影响、整体分析与连廊对塔楼结构带来的影响等，如此才能从根本上保障建筑工程结构的安全性。