某连体超限高层办公楼结构设计分析

郑智辉

(厦门上城建筑设计有限公司 福建厦门 361012)

0 引言

连体高层结构由两个或两个以上的塔楼和它们的连接体所组成，是一种复杂的高层建筑结构。当风或地震作用时，结构除产生平动变形外，还会产生扭转变形，扭转效应随塔楼的不对称性的增加而加剧[1]。连接体及其与两侧塔楼的支座连接是连体结构的关键问题，均应进行详细分析与设计。本文以上海中骏·天悦1#、2#楼高层办公楼为例，介绍连体高层结构的抗震分析与设计。

1 工程概况

中骏·天悦1#、2#楼高层办公楼位于上海市，共21层，高度为96.850m，主要层高为4.2m及4.4m，设2层地下室。2栋楼呈镜像布置，第15～18层通过三层钢结构连接体联系在一起。主要结构平面图及立剖面见图1～图2。

建筑平面电梯筒偏置，且外围框架未完全围合，因此采用框架-剪力墙结构。结构长宽比较大，竖向构件偏心受拉情况明显，局部采用型钢混凝土构件。

该工程设计使用年限50年，设防烈度为7度(0.10g)，地震分组第一组。基本风压为0.55kN/m2，地面粗糙度类别为C类。项目存在连体、刚度突变、楼板不连续、承载力突变及穿层柱几项不规则情况，结构连体是该工程能否具有良好的抗震性能主要问题。

2 结构布置

主要竖向构件布置：外围框架柱主要截面1000×1400，向上逐渐减少，并在下部楼层及连体楼层的柱内加设型钢。中间的剪力墙基本围合成两个“小筒”，底部加强区剪力墙内局部设置型钢。对于总体来说，加强两侧竖向构件，适当削弱中部，以利于结构的抗扭性能。

梁系布置：与框架柱相连的Y向框架梁截面主要为600×800；南侧X向框架梁加高为600×1000；结构连梁高度大部分均控制在600mm以内。如此设置有利于调整竖向构件偏心布置带来的刚心偏置的问题。

图1 标准层结构平面图

该工程的难点在于“A塔楼与B塔楼之间连接部位的合理结构选型”。塔楼连接体位于65m～78m高空，为减轻连接体自重，采用钢结构。如果连接体与主塔楼采用弱连接，由于在高位连体，抗震缝较宽，无论从建筑还是结构方面，该抗震缝均会带来相应的问题，并且考虑到两侧塔楼平面基本对称，受力变形均匀，因此对连接体与塔楼间的连接按强连接设计。

连接体跨度29m，初步考虑采用钢桁架的结构型式，备选方案有：连体底层普通桁架，叠层空腹桁架及叠层混合空腹桁架3种型式。综合考虑，该工程选择了叠层混合空腹桁架，将空腹桁架与带斜腹杆桁架结合起来，以斜腹杆来抵抗剪切变形，如图3所示。

图2 立面及剖面图 图3 叠层混合空腹桁架

连接体布置：15～18层三层钢结构连接体跨度约29m，通过4层弦杆、两排竖腹杆及两排斜腹杆整体组成叠层混合空腹桁架，主要杆件为900×600×35×35的方钢管及900×700×20×50的H型钢。

连体部位楼板采用钢筋桁架楼承板，顶层及底层板厚180mm，中间层板厚150mm。

3 地基基础

综合考虑上部建筑物荷载、工程地质条件及周围环境，主楼基础拟采用PHC预应力管桩，选择灰色粘土层作为桩端持力层。

由于采用刚性连接的连体结构对沉降差异很敏感，减少沉降差异的关键还是要减少绝对沉降。根据《上海市地基基础设计规范》[2]进行沉降计算，并补充实体等代法进行校核，控制桩基中心计算沉降量在70mm以内，建筑倾斜不大于0.004。

4 结构设计

弹性计算分析采用YJK作为主要计算分析软件，并同时采用MIDAS/Building对YJK分析结果进行校核。另外，根据表1的分类对结构补充进行时程分析及性能设计。

表1 分析项目及步骤

4.1 结构计算考虑的问题

4.1.1多塔及风荷载

整体计算时，采用分块刚性模型，除2、15、16、17、18楼层为一个刚性块外，其他楼层均采用两个刚性块，具体分塔情况如图4所示。

图4 结构模型分塔示意图

多塔模型可以合理考虑其连体结构立面开洞对迎风面的影响，但是该项目两栋楼间距较近，因此，特别考虑风力的相互干扰。根据文献[3]计算，风荷载体型系数应乘以1.15的增大系数。

4.1.2施工次序

尽管该项目两塔楼平面布置基本对称，但考虑到建筑场地位于上海，建筑物建于软土地区之上，仍慎重考虑两塔楼的差异沉降带来的影响。

因此，设计要求待连接体两侧塔楼主体结构封顶后(连体部位预留连接节点)，再进行连体结构的吊装和施工。设计按连体结构实际的施工次序予以计算。

4.2 抗震超限情况及措施

该工程存在连体、刚度突变、楼板不连续、承载力突变及穿层柱几项不规则情况，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》[4]的要求，综合考虑各项因素后，设计对结构提出性能目标要求，并针对该工程的薄弱环节采取适当的加强措施，具体如表2所示。

表2 针对该工程薄弱环节的加强措施

4.3 结构分析的主要设计结果

4.3.1小震CQC弹性分析

小震CQC弹性分析结果表明，两种软件计算结果比较吻合，周期、位移、剪重比等各项指标均满足规范要求。

整体模型的第一扭转周期与第一平动周期之比约为0.85，满足规范相关要求，表明连体结构具备合适的抗扭刚度。图5为结构前6阶振型的振型图，由于整体为对称连体结构，振型基本具有对称性(正对称或反对称)。这种同向或反向的振型，对于结构上部采用刚性连接的连体结构，其对结构产生的影响有利。

振型1(Y向平动) 振型2(X向平动) 振型3(整体扭转)

振型4(分塔X向平动) 振型5(分塔Y向平动) 振型6(分塔扭转)图5 结构振型图(前6阶)

由图5可见，各楼层刚度比及受剪承载力在以下部位变化较大：(1)结构底层(上下层高相差大)；(2)第15～18层连体楼层。针对以上部位，采取地震作用剪力放大1.25倍的方式予以加强设计。

4.3.2小震弹性时程分析

该项目采用上海市抗震设计规程[5]中提供的地震波进行计算，设计中对时程分析中结果超过CQC的楼层地震剪力予以放大，放大系数约为1.01～1.20。

4.3.3中震下构件性能设计

在评估结构及构件对应于中震的性能目标时，仍然采用规范提供的振型分解反应谱法。

(1)底部加强部位竖向构件按“中震抗剪弹性、抗弯不屈服”复核，后续设计中通过提高剪力墙竖向分布筋配筋率、增设型钢等方式以满足该性能目标要求。针对中震下出现小偏心受拉剪力墙肢，采用在墙内布置型钢及钢板。

(2)连接体节点应力分析，根据前述“构件性能目标”要求，连接体节点保持“中震弹性”，控制钢桁架构件在整体模型计算下应力比不大于0.85(考虑楼板可能开裂失效，按板厚为0计算)。另外，将连接体节点建立有限元分析模型(Midas/FEA)，根据中震各工况的内力，对节点进行应力分析。

连接体桁架斜杆上节点为全钢节点按中震作用下弹性分析；连接体桁架斜杆下节点为钢与钢筋混凝土组合节点，按中震作用下考虑材料的非线性及几何非线性计算。

图6 桁架上节点的Mise 应力图

图7 钢构件Mise应力(左图)及混凝土受拉损伤情况(右图)

从图6中可知，钢构件节点区域的VonMises应力大部分均小于300MPa，整体上节点承载力满足“中震弹性”的要求。

图7左图显示的是型钢及钢构件Mises应力大于315MPa的部分，仅局部区域(水平钢梁与型钢柱、斜杆交接处)出现应力集中现象，应力达到450MPa左右；根据图7右图所示，混凝土受拉区混凝土的开裂损伤情况也较小。

采用Midas/FEA对连接体桁架斜杆上下节点的有限元分析，可知节点的承载力满足“中震弹性”的性能目标。

4.3.4连接体部位补充分析

(1)竖向地震作用分析

该工程两塔楼在距地面高度65m～78m范围存在约29m跨度的局部连体结构，大于规范大跨度24m限值。因此，对连体结构进行竖向地震作用验算。

(2)楼板应力分析

连接体楼板(特别是上、下弦所在楼板)及与其相邻的塔楼楼板，受力较复杂，整体模型计算时，该部分楼板定义为弹性楼板。

对该楼板进行有限元应力分析，要求多遇地震下楼板拉应力不大于混凝土抗拉强度标准值ftk，中震下楼板钢筋拉应力不大于钢筋抗拉强度设计值。连接体顶部、底部及相邻一跨楼板厚取180mm，连接体楼层其余板厚取150mm，双层双向配筋率均不小于0.3%，并根据应力分析结果局部附加板筋。

连体楼层结构长度超过结构伸缩缝最大间距，但连接体楼板在两侧塔楼施工完成一段时间后浇筑，此时塔楼楼板温度变形已释放较多。经验算，该工程连接体楼板封闭后温度应力对楼板配筋不起控制作用。

(3)楼板舒适度分析

连接体楼盖的功能主要为办公室(无振动荷载)，根据PKPM软件的SLABFIT模块分析，楼盖能满足舒适度的要求。

4.3.5大震动力弹塑性分析

在罕遇地震作用下，结构表现出非线性行为并引起结构内力重新分布，该工程采用Building进行罕遇地震作用下弹塑性分析。

罕遇地震波计算结果得到的基底剪力与小震弹性计算结果的比值约3.5倍，基本处于合理范围。结构在地震作用X向、Y向的最大层间位移角最大值分别为1/127、1/117，均小于规范规定的1/100限值。

该工程主要考察连接体部位在罕遇地震作用下的情况，选取上海地震波中基底剪力较大的结果进行分析讨论，框架铰结果如图8所示。

计算结果表明，连接体部位在罕遇地震作用下，均未出铰，仍然保持弹性状态。因此，连接体部位钢结构满足罕遇地震作用下不屈服的性能目标。

图8 地震波作用下框架铰结果(25s)

5 结语

该工程1#、2#办公楼主体为双塔高位连体高层结构，属于超限高层建筑。为保证其满足不同性能水准设计要求，在结构分析与设计上进行了多方案的对比分析，主要如下：

(1)该工程连体部位采用钢结构叠层混合空腹桁架的型式，与两侧塔楼主体结构“强连接”。

(2)采用YJK、MIDAS两种不同设计软件对整体结构及单塔模型进行深入分析对比，主要内容如下：

①小震和风荷载弹性分析——主要包括自振特性、剪重比、楼层位移、楼层刚度和受剪承载力，计算结果均符合规范要求；

②中震分析——主要包括楼层位移整体指标、底层加强部位和连体结构的局部指标(中震弹性)均满足性能目标要求；

③对连接体结构构件按大震不屈服复核；采用MIDAS Building软件进行大震动力弹塑性分析结构整体性能和构件变形性能；

④连体部位细化分析——主要包括节点应力分析、竖向地震作用和楼板分析。

该工程属于超限高层建筑，由于在结构设计时采取了合理的结构布置，对结构的薄弱部位进行了加强以及性能化设计，并采用型钢混凝土构件，使得结构具有良好的抗震性能。