某连体高层结构抗震设计

沈海洋

（上海市地下空间设计研究总院有限公司，上海 200125）

0 引言

高层连体结构是一种复杂的结构体系。连接体作为其中的关键部分，抗震设计和分析是重中之重。连接体的结构形式有强连接、弱连接、铰接连接等多种形式。吴宏磊等[1]针对典型工程案例，从结构整体受力、变形以及连接体的受力变形等方面，对连接体的选型与设计进行了剖析，总结了不同连接形式的受力特点、适用情况和设计原则。刘光爽[2]以实际工程为研究对象，对一个非对称双塔连体结构的连接体方案（空腹桁架）及抗震性能进行研究，研究经过合理的设计与加强，本工程的非对称连体结构能达到预定的抗震性能目标。张一舟、刘彦生等[3]以一个四塔高位连体实际工程为例，从整体结构布置，连接体设计，连接体与塔楼连接的复杂节点设计，抗震性能化设计，结构全生命周期分析等多方面总结复杂多塔连体高层结构设计的技术难点和设计对策。李家佳等[4]以南京涵碧楼酒店南北塔楼顶部间连通的跨空中钢连廊为例，分析了钢连廊的减振设计，通过该减振结构的设计，施工和后期调试，为类似结构提供了经验。

本文在研究空腹桁架连接体受力形式的基础上，连接体采用了钢拉杆体系的结构形式，传力明确，连接可靠，对建筑立面影响较小。经分析表明，该连体结构的抗震性能可以满足规范要求及设立的抗震性能目标。

1 工程概况

GZ137地块A区块（建工科技园）项目位于扬州市广陵区，基地位于文昌东路北侧，临湾路东侧，迎宾路南侧。本工程地上由高层办公（15层/17层/23层）、多层商业（2层/4层/5层）组成，地下为两层地下车库。总建筑面积约249 169.9m2，其中地上148 804.1m2，地下100 365.8m2。其中A2#楼、A3#楼建筑平面布置为东西两个塔楼，建筑高度为99.6m，单塔东西方向尺寸为44.5m，南北方向尺寸为35.9m。地上23层，1～2层层高5.2m，3～20层层高4.2m，21层～23层层高4.5m，出屋面楼梯间层高为3.0m。东西两个塔楼在下部均无连接，在二十二层至屋面层通过两层通高的钢连廊进行刚性连接。连廊跨度43.7m，高度9m，宽10.9m。本工程连体位置较高，跨度较大，东西两侧塔楼为钢筋混凝土框架－核心筒结构，连体为钢结构。本工程局部楼层扭转位移比大于1. 2；2层、3层开洞面积大于30%；故本工程为超限结构，并于2020年9月30日顺利通过了江苏省超限专家评审。

本工程抗震设防类别为丙类（底层商业为乙类），设防烈度为7度，基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类。根据扬州市住建局提供的安评报告[5]，本工程场地设计特征周期：小震及中震为0.55s，大震为0.60s（规范）；水平地震影响系数最大值：小震为0.163，中震为0.435，大震为0.720（规范）。工程所在地区基本风压为0.40kN/m2（50年一遇），地面粗糙度为B类；遇基本雪压0.35kN/m2（50年一遇）。

2 结构体系

2.1 抗侧力体系

结合建筑平面功能及布置，东西塔楼采用钢筋混凝土框架－核心筒结构体系，钢筋混凝土筒体作为主要抗侧力结构体系，外框架作为抗震第二道防线。底层商业部分：框架抗震等级为一级，核心筒抗震等级为一级；其余楼层部分：框架抗震等级为二级，核心筒抗震等级为二级；连接体及与其相连的结构构件在连接体高度范围及其下一层抗震等级为一级。塔楼核心部分为钢筋混凝土内筒剪力墙，内筒平面尺寸约为24.2m×12.2m（内筒宽高比1/8＞1/12）；塔楼外围为框架结构，平面尺寸44.5m×35.9m（高宽比2.65＜7）；外框架柱距核心筒距离约为10～12m，外框架环向柱距约为8.4m。

框架柱截面尺寸自下往上由1000mm×1450mm渐变为750mm×750mm，混凝土强度等级为C60～C30。环向框架梁梁高1 200mm。核心筒周边剪力墙墙厚为550～350mm（一层及二层层高为5.2m），核心筒内剪力墙厚度为300mm，混凝土强度等级C60～C30变化。为了加强混凝土核心筒的延性，降低核心筒剪力墙轴压比，并且降低底部筒体中震下拉应力水平，在筒体的四角及中震下拉应力较大的墙肢两侧设置型钢柱。

2.2 楼、屋盖体系

楼面采用现浇钢筋混凝土楼板，板厚120mm。核心筒内部、二、三层、连桥及相邻板厚为150mm。塔楼标准层高为4.2m。径向梁高700～800mm。

2.3 连体体系

A2#、A3#在二十二至屋面层通过两层通高的钢连廊进行刚性连接。连廊跨度43.7m，高度9m，钢连廊两侧分别设置了Φ180的双拉杆，也有利于防连续倒塌，强度等级为Q550C，连廊上下弦拉杆截面H1000mm×500mm×20mm×30mm，拉杆与下弦拉结节点设置H600mm×500mm×20mm×30mm的钢柱支撑上弦，上下弦分别间隔2.6m设置H600mm×300mm×20mm×24mm钢梁支撑楼板，并设置Φ200×24的水平支撑。拉杆上节点与主体框架梁柱可靠连接，并通过向内延伸的框架梁（内设H600×300×30×30型钢）与核心筒相连并贯通核心筒，核心筒南北剪力墙内设置各4道型钢柱并下沿两层，核心筒范围设置边框梁（内设H600×250×30×30），确保拉力在楼层平面内平稳消散，相关主体关键构件均采用型钢混凝土构件，型钢强度均为Q355B。连桥板厚150mm，配筋双层双向不小于0.25%。

3 结构整体计算分析

基于本工程的重要性和复杂性，整体结构抗震设防性能目标拟接近《高层建筑混凝土结构规程》[6]规定的 “性能目标D”，具体内容如表1所示。

表1 构件抗震性能目标

3.1 主要参数

塔楼结构整体计算分析采用YJK、PMSAP两种程序。结构阻尼比为0.05，考虑双向地震作用，偶然偏心为0.05，振型质量参与系数≥90%。整体指标计算时采用刚性楼板假定；内力计算时楼板开大洞处、连体及相关范围内楼板均按弹性膜假定计算。

3.2 主要计算结果

采用前述两种计算程序进行计算分析，计算结果如表2所示。计算结果表明：两种程序计算的结构动力特性接近，周期比满足规范要求。

表2 主要计算结果

3.3 弹性时程分析

根据《抗震规范》[7]第5.1.2条及《高层建筑混凝土结构规程》第4.3.4条的要求，应采用弹性时程分析法进行补充计算。时程分析按建筑场地类别和设计地震分组选用二组人工模拟的加速度时程曲线和五组实际强震记录（各条波的动参数略）。所选七条时程波的加速度曲线与地震影响系数曲线吻合程度较好，其平均加速度曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。基底剪力计算结果表明：弹性时程分析法补充计算结果与振型分解反应谱法计算结果基本一致，满足规范要求。

3.4 动力弹塑性时程分析

考虑到工程的重要性和复杂性，采用SAUSAGE（Seismic Analysis Usage）软件进行动力弹塑性时程分。地震波采用两组天然波和一组人工波，均采用双向地震输入，各方向加速度峰值比例为1.00:0.85。时程分析时输入地震加速度的最大值，取值为310.0cm/s2（规范数据）。计算结果表明：（1）在完成罕遇地震弹塑性分析后，结构仍保持直立，3组波平均最大楼层位移角满足小于1/100的要求。结构整体性能满足“大震不倒”的设防水准要求。（2）连梁损伤明显，抗压、抗拉强度退化明显。罕遇地震作用下连梁起到了一道防线耗能作用。（3）除核心筒底层局部墙肢受压损伤严重外，在罕遇地震作用下，核心筒剪力墙的工作性能良好。（4）此工程在7度罕遇地震作用下整体受力性能良好。

4 连体结构计算分析

4.1 钢连桥-钢拉杆细化分析计算

钢连廊两侧分别设置了Φ180的双拉杆，有利于防连续倒塌，强度等级为Q550C。拉杆采用O-O型，两侧为单板。节点板采用双耳板，板厚60mm，节点板通过销轴系统与拉杆连接。

根据计算分析，各工况下拉杆内力如表3所示。（竖向地震力括号内为恒活占比统计）

表3 拉杆力表

4.1.1 钢拉杆分析（性能目标：中震及大震弹性）

拉杆在小震情况下应满足：

Rd、γRE分别为构件承载力设计值和承载力抗震调整系数；

SGE—重力荷载代表值的效应；γG—重力荷载分项系数；γEH—水平地震作用分项系数；γEV—竖向地震作用分项系数；SEhk—水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数、调整系数；SEvk—竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数、调整系数；γw—风荷载分项系数；Ψw—风荷载的组合值系数，应取0.2。

拉杆在中震及大震情况下应满足：

拉杆采用180直径Q550型实心钢拉杆，强度标准值取550N/mm2，设计值取550/1.7=324N/mm2

将小震下拉力代入式（1）可得：

1.2×4508+0.6×704+0.33×50+0.5×498+1.3×793

=7 128.4kN≤16 481.1kN

拉杆在小震下应力比为：7 128.4/16481.1=0.43

同理，将中震、大震下拉力代入式（2），拉杆应力比为0.56及0.70。

由上述计算结果表明，拉杆能够满足中震及大震弹性的设计要求。

4.1.2 钢拉杆节点（性能目标：中震及大震弹性）

钢拉杆端部通过耳板、销栓系统与梁柱钢骨连接，耳板、销栓及与钢骨的连接设计在施工图阶段深化，确保节点性能目标不低于拉杆本身，并保证中震及大震弹性。

拉杆节点如图1、2所示。

图1 拉杆下节点(mm)

图2 拉杆上节点(mm)

拉杆节点用ANSYS通用有限元软件分别进行了小震、中震、大震下的应力分析。以上节点为例，通过分析表明，满足小震弹性、中震弹性要求、大震弹性要求。

4.2 连体楼板受剪计算

按《高层混凝土结构技术规程》10.5.7条要求，刚性连接的连接体楼板应进行受剪截面和承载力验算。

按《高规》10.2.24条所述公式进行计算，其中bf取连廊楼板宽度11.5m，tf取楼板厚度。

Vf取连体一侧塔楼楼层处所受剪力（小震）9 326kN，由此看出，为了满足连体楼板的抗剪要求，需设置板间水平支撑抗剪。如前所述，连接体楼板处均设置了交叉水平支撑，Φ200×24，Q355B。

V11（混凝土部分）=2 902kN

V12（水平支撑所能承担的剪力）V==7 008kN

水平支撑和楼板所能承担的剪力V=7 008+2 902=9 910kN ＞Vf，满足。

V2=5 104kN

综上所述，连体楼板受剪满足规范要求。

5 结论

综上所述，可以得到以下结论：

（1）钢拉杆体系的连接体传力明确，抗震性能良好。

（2）连体楼板作为连体结构的重要构件，采取水平支撑等加强措施保证了楼板的安全性。

（3）经过多程序对比分析，本连体高层结构抗震性能满足规范要求。