博思人工智能产业园悬挑连体超限结构设计与分析

卢孝同

（福建省工大工程设计有限公司，福建 福州 350014）

0 引言

随着现代建筑技术的发展，对建筑美观和功能提出更高的要求。连体建筑作为一种功能空间的建筑艺术表现形式，除了美观外，还能满足两栋建筑之间人员流通功能，越来越受建筑师的青睐。近年来涌现了多种多样样式独特，体形复杂的连体结构，对结构设计提出了不少挑战。针对目前复杂连体结构设计中所面临的问题，大量技术人员和学者也对此进行了不少的研究分析，研究内容主要集中在实验研究，抗震性能分析和结构体系选型等方面[1]。周伟星[2]阐述了连体钢桁架的结构性能化分析要点和方法，提出了将连体钢桁架视为一个整体构件进行性能化设计的方法，作为技术人员设计的参考依据。张一舟等[3]对高位连体实际工程为例，总结复杂多塔连体高层结构设计的技术难点和设计对策。针对这种复杂悬挑连体结构吊装问题，李少龙[4]运用仿真施工模拟，通过合理的施工模拟程序指导施工作业，确保大型悬挑钢结构施工的安全性。本文在此基础上，根据本项目悬挑连体结构的特殊形式，同时考虑结构吊装合理安全基础上，选用桁架结构类型。并对该项目结构设计中存在的超限问题以及对钢桁架，两侧主楼等关键构件进行性能化设计和分析，对连体结构布置合理性及安全性做出综合评价。

1 工程概况

博思人工智能产业园项目位于福建省福州市滨海新城，1#、2#总建筑面积为30 200.9m2，塔楼地上14层，地下共1层，塔楼结构高度为 57.25m，主要功能为办公。1#2#楼采用数字双螺旋打造本产业园标志形象，建筑功能上通过亮丽的全玻璃幕墙加空中圆环提高建筑外立面美观。10层和11层主楼之间是空中连廊，采用连体结构，通过空中连廊将两栋建筑连成整体，形成封闭的O字形连廊。1#、2#楼单体效果图如图1所示，连廊实景图如图2所示。

图1 1#、2#楼单体效果图

图2 1#、2#楼连廊实景图

2 结构选型及连体结构模板布置

结构设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级，建筑抗震设防类别为丙级，地基基础设计等级为甲级。场地抗震设防烈度为 7 度（0.10g），第三组，Ⅱ类场地。基本风压按50年重现期取W0 =0.80kN/m2，地面粗糙度类别为A类。

整个地上主楼为一个整体结构单元，不设置抗震缝，上部结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系（连体部分采用钢管混凝土柱），连体结构为钢梁悬挑+钢桁架结构形式，采用全焊刚性连接[5]。钢结构桁架连接两端钢管混凝柱和悬挑梁上并承受竖向荷载，桁架连接钢管柱部分延伸主楼进去一跨。1#、2#楼结构模型如图3所示。

图3 计算模型简图

塔楼框架柱截面自下向上由900mm×900mm 逐渐收缩为 600mm×600mm，剪力墙厚度为300mm，相应的混凝土强度等级由C50逐渐降低为C30；各层楼面框架梁截面一般为300mm×800mm ～1 000mm×1 000mm，混凝土强度等级均为C30。钢管混凝土柱截面800mm ×20mm，挑梁截面为截面箱型400mm×800mm×20/25mm，钢结构桁架的主要弦杆截面箱型400mm×800mm×20mm，腹杆截面为箱形400mm ×400mm×20mm，钢材均为Q355B。塔楼连廊层连体钢构模板布置图如图4所示。

图4 连廊层模板图

3 结构超限认定及抗震性能目标

本项目主楼属于高度不超限，规则性超限的不规则高层建筑。主要的超限不规则项有：（1）扭转不规则、偏心布置； （2） 楼板不连续； （3） 楼层悬挑桁架，多塔；（4）刚度突变、承载力突变——中间钢桁架连体处承载力突变。依据《全国超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，本项目需要做超限评审。

针对超限情况，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》[6]3.11.1条，节结构抗震性能设计方法，该结构抗震性能目标为取为D级，部分关键构件抗震性能适当提高，抗震性能目标如表1所示。

表1 结构抗震性能目标

表2 YJK构件性能状态统计结果

4 整体结构抗震分析

本工程结构整体分析采用盈建科建筑结构设计软件进行计算。数据分析显示，塔楼10、11层应有钢构连体，导致楼层刚度比及受剪承载力突变较大。计算上除考虑薄弱层地震作用放大外，对该层墙柱按提高一级采取抗震构造措施，墙柱按中震抗剪弹性，抗弯不屈服设计。

通过计算分析显示，结构各种计算数据及动力特性均满足设计规范要求。结构前两阶振型均为平动振型，周期比也满足规范0.9以下的要求，结构整体抗侧力构件布置合理。

4.1 多遇地震情况下的弹性时程分析

多遇地震作用下弹性时程分析时取YJK 程序提供的符合规范相关计算要求的五条天然波和两条人工波计算。多遇地震作用下弹性时程分析时，所选的地震波要满足频谱特征、有效峰值和持续时间等要求。本项目采用水平主向、水平次向的加速度峰值按照抗震规范 1:0.85 的比例系数进行输入。地震烈度为7度（0.1g），根据《建筑抗震设计规范》[7]5.1.2条，地震波峰值加速度按35cm/s2取值。如图5所示

图5 规范谱与反应谱对比图

根据上述弹性时程分析结果，地震波选用满足规范 GB50011-2010第5.1.2条中关于结构底部剪力的规定。以上说明地震波选用合理，各楼层地震作用放大系数做相应调整。

4.2 罕遇地震静力弹塑性分析

结构在罕遇地震作用下的分析有静力弹塑性分析和动力弹塑性分析方法，通过对结构进行性能设计以满足建筑投资方对结构在大震下的性能要求。PushOver分析是最具代表性的静力性能设计分析方法。

PUSHOVER分析是借助地震需求谱，近似得到结构在预期地震作用下的抗震性能状态，由此实现对结构的抗震性能进行评估。

4.2.1 弹塑性最大层间位移角

根据PUSHOVER结果，各推覆工况性能点最大楼层位移角曲线如图6～7所示。

图6 工况X向推覆性能点最大楼层位移角曲线

图7 工况Y向推覆性能点最大楼层位移角曲线

结果表明，X向性能点最大层间弹塑性位移角为1/320，Y向性能点最大层间弹塑性位移角为1/348，满足规范规定的1/100限值要求。

4.2.2 结构性能状态分析

结构的弹塑性属性是通过布置在构件上的塑性铰来体现的，塑性铰属性包括两个方面：（1）屈服承载力；（2）荷载—变形关系。对于混凝土构件，用梁端、柱端、剪力墙墙肢端部的塑性转角的大小来衡量塑性变形水平。图中构件性能水准表示：OP段为绿色，IO段为黄色，LS段为橙色，CP段为红色。如图8～9所示.

图8 工况X+向推覆性能状态

图9 工况Y+向推覆性能状态

软件依据评定值给出上述结构构件的破伤等级图，破损等级图显示，结构连梁损伤比框架梁柱明显，局部连梁出现了严重破坏，甚至破坏退出。柱大部分完好，未出现贯通成片的严重损坏，柱只是部分构件进入了中等损坏，满足大震性能目标需求。

（1）框架梁及连梁结果显示，出现较多塑性铰，局部出现严重损伤，作为主要耗能构件，结果是理想的。

（2）框架柱监测结果，塔楼底部框架柱未出现明显的较重损伤，作为框架一剪力墙抗震的第二道防线，结果是理想的，且满足大震压弯不屈服的要求，结果是满足要求的。

（3）剪力墙监测结果：剪力墙底部有轻微损伤，但未出现大面积情况，作为框架一剪力墙抗震的第一道防，说明大震下剪力墙受弯没有发生混凝土压溃破坏的情况，结果是理想的。

综上，通过对本工程结构进行罕遇地震动力弹塑性分析并与规范的要求进行对比，说明本结构能满足罕遇地震下的受力要求。

5 连体桁架动力分析

连体结构设计采用单塔和双塔分别计算分析，对结构的周期和阵型等结构动力特性进行分析，判断结构布置合理性。

单塔动力、合塔（未带连接体模型）和合塔（带连接体模型）分析显示上述各塔动力特性可以看出，二个单塔基本一致，不存在某个主轴方向的振动周期显著不同；且二者高度、体型、刚度基本相同；合塔（二者强连接的连体）后，也未改变原有结构动力特性，说明此连接方式是可行的。

为了能更准确评估楼盖舒适度情况，应用YJK楼板和设备振动模块复核楼盖自震频率。详见表3，提供前5个模态阶数，其中第10层固有频率都大于3，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.7.7条，其楼盖有适宜的舒适度。

表3 合塔（带连接体模型）10层楼盖固有频率

表4 连接体各构件在不同工况下的应力比汇总表

6 连接体应力计算

第10层为连接体所在的楼层，故第10层与第11层连接体相关的楼板板厚定义为150mm。连接体为钢桁架，与1#、2#楼采用刚性连接。连接体伸入主体结构一跨，伸入部分采用组合型钢梁。与连接体相连的竖向构件为组合型钢柱。

采用小震计算的参数：将第10层、11层连接体相关的楼板定义为弹性板6，地震影响系数最大值αmax取值为0.08。采用中震计算的参数：将第10层、11层连接体相关的楼板定义为弹性板6，采用性能水准1进行中震下的性能设计。采用大震计算的参数：将第10层、11层连接体相关的楼板板厚定义为0，地震影响系数最大值αmax取值为0.32。连接体各构件在不同工况下的应力比汇总情况详表，均满足设计要求。

7 楼板应力分析

本工程上部钢构连体结构，中间连廊楼板平面内应力复杂，为保证上部结构地震作用下楼板能正常传递水平力，需要对楼板进行应力分析并进行性能化设计。

7.1 楼板性能化设计目标

对楼板平面内应力的分析手段和方法，我国规范未作出明确的规定。根据性能化设计目标，多遇地震下不开裂，设防地震作用下，楼板钢筋不屈服。

7.2 计算方法及结果

为计算结构中震下的楼板应力情况，采用YJK软件，运用CQC组合的反应谱，在多遇地震下局部楼板混凝土拉应力超过混凝土楼板C30的抗拉强度标准值（2.01MPa）。补充计算（地震影响系数最大值=0.23 ）结构在中震标准组合下楼板应力。计算结果显示局部应力较大位移与小震作用下基本相同，主要位于剪力墙端部，楼板不连续的区域，此处受力复杂，此区域配筋加强处理（如图10～11所示）。

图10 在X向最不利地震作用下的楼板板底应力

图11 在X最不利地震作用下的楼板板面应力

对10F和11F 楼板厚度加厚，厚度为150mm,采用C30混凝土。对10F和11F楼板大面积贯通钢筋采用Ф12@150配筋，地震作用下楼板应力较大处设置加强区对其进行加强配筋；地震作用下楼板应力较大处设置加强区对其进行加强配筋。

8 结论

本工程设计满足抗震设防原则“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计目标，以及基于以上抗震性能化的设计方法，对关键部位结构加强设计，使得结构能满足安全要求。综合上述分析结果：

（1）多遇地震作用下，结构最大层间位移角满足多遇地震1/800性能目标要求，所有构件均满足弹性设计要求。

（2）各层弹塑性位移角最大值均小于1/100，满足规范对框剪结构弹塑性位移角限值的规定，说明满足“罕遇地震不倒”的设防目标。

（3）对于本项目关键的钢结构连廊，补充小震、中震、大震情况下的应力比情况分析，结果证明钢结构应力比均有较大富余。

本工程为规则性超限的不规则高层建筑，通过制定合理的结构抗震性能目标和加强措施，使主体结构能够实现抗震设防要求，各项性能指标也满足国家相关规范的要求。