張沈斌, 金振奮, 朱浩川

(浙江大學建筑設計研究院有限公司，杭州 310028)

0 引言

高層連體結(jié)構(gòu)的連接體連接形式按其約束類型可分為強連接、弱連接等。強連接指連接體結(jié)構(gòu)被塔樓完全約束,連接體充分協(xié)調(diào)塔樓的振動［1］。當連接體結(jié)構(gòu)自身較為薄弱時,常釋放其約束端部,使其與塔樓形成弱連接。本文通過某一工程實例,討論了樓板較為薄弱的連接體實現(xiàn)強連接的構(gòu)造和設計方法。

1 工程概況

紹興濱?？萍汲呛诵膮^(qū)二期項目5#、6#樓為兩個單塔組成的連體結(jié)構(gòu)(圖1),其中5#樓科研用房(智能制造)主體結(jié)構(gòu)8層,屋面標高38.050m,面積14 425m2;6#樓通用科研用房主體結(jié)構(gòu)10層,屋面標高47.350m。地下設1層地下室,主要功能為地下車庫。

圖1 建筑效果圖

結(jié)構(gòu)設計使用年限50年,結(jié)構(gòu)安全等級二級,抗震設防類別為標準設防類(丙類)［2］;根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)［3］(簡稱抗規(guī)),抗震設防烈度為6度,設計基本地震加速度值為0.05g,設計地震分組為第一組,場地類別為Ⅲ類,特征周期為0.45s。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)［4］(簡稱荷載規(guī)范),主樓風荷載標準值基本風壓(考慮50年一遇)為0.45kN/m2,地面粗糙度B類。

如圖2所示,基于本工程實際情況,中庭區(qū)域?qū)Σ晒庥休^高要求,且建筑專業(yè)對立面要求嚴格、幕墻立面無法設置結(jié)構(gòu)縫。建筑中庭有較高的采光要求且幕墻立面不允許設縫。本工程的結(jié)構(gòu)設計難點在于采用樓板大開洞的薄弱連接體充分協(xié)調(diào)兩個不同高度單塔的振動,實現(xiàn)兩單塔的強連接。為保證連接體部位不被破壞,通過調(diào)節(jié)兩單塔抗側(cè)力構(gòu)件布置,使不同高度的兩單塔周期與剛度基本接近;同時加強連接體及與連接體相連的框架的各項構(gòu)造措施,使結(jié)構(gòu)能達到既定的抗震設防目標。

圖2 建筑總圖

2 基礎(chǔ)設計

本工程設1層地下室,整體采用底板與獨立承臺樁基礎(chǔ)的基礎(chǔ)形式［5］。依據(jù)勘察報告,土層自上而下為雜填土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂、中砂及礫砂等。主樓部分荷載大、變形要求高,選用直徑800mm的鉆孔灌注樁,持力層為⑧3礫砂層;純地下室部分采用預制方樁,持力層為⑥2粉砂。樁位平面布置如圖3所示。

圖3 主樓范圍樁位平面布置圖

本工程底板厚度為400mm,基礎(chǔ)沉降圖如圖4所示。因?qū)Σ煌瑔嗡偷叵率也煌奢d采用不同的樁型,基礎(chǔ)整體沉降較為均勻,主體部分沉降稍大,地下室沉降小。主樓最大計算沉降量為25mm,主樓最外圍沉降量為18mm,相鄰豎向構(gòu)件間的沉降差小于跨度的0.20%,滿足《建筑地基基礎(chǔ)設計規(guī)范》(GB 50007—2011)［6］整體傾斜比不大于0.002,最大沉降不大于200mm的要求。

圖4 基礎(chǔ)沉降/mm

3 整體結(jié)構(gòu)設計

3.1 結(jié)構(gòu)布置

結(jié)構(gòu)兩單塔采用矩形平面,標準層平面尺寸相同,均為56.6m×27.8m;底部裙房平面長度最大162.87m,寬度34.10m,長寬比4.78,小于規(guī)范限值6;兩單塔在7～9層樓面位置相連,連體樓層平面尺寸為132.2m×27.8m,長寬比4.75,滿足規(guī)范要求。

兩單塔均按內(nèi)部混凝土核心筒剪力墻、外側(cè)框架的形式布置,在結(jié)構(gòu)受力合理的基礎(chǔ)上最大程度兼顧了建筑使用功能,如圖5所示。兩單塔由大跨度鋼梁連接。結(jié)構(gòu)主要屋面高度為47.350m,按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)要求進行設計,根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)［7］(簡稱高規(guī))第3.3.1條規(guī)定,屬于A級高度(130m)的高層建筑。剪力墻抗震等級三級,框架抗震等級四級,連體及連體周邊等加強部位抗震等級三級。

圖5 結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系組成

結(jié)構(gòu)剪力墻布置如圖6所示,兩個單塔的豎向剪力墻構(gòu)件主要布置在內(nèi)部交通核的筒體墻上,剪力墻厚度400～250mm,自下而上逐步收進減薄。

圖6 剪力墻布置圖

本工程連接體采用強連接,整體結(jié)構(gòu)超長,整體上加強了X向剪力墻的布置,減小連接體的軸向內(nèi)力;同時加強了整體結(jié)構(gòu)端部(5#樓左側(cè)及6#樓右側(cè))剪力墻的布置,增強整體結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。對于本工程連接體兩側(cè)單塔不等高的特點,對建筑高度較高的6#樓核心筒剪力墻墻肢的長度和厚度進行加強,使兩單塔的動力特性接近。

本工程單塔框架柱沿建筑平面周邊均勻布置,主要柱跨8.4m,柱截面尺寸800×800～600×600,并與內(nèi)部剪力墻通過框架梁相連。與連接體直接相連的框架柱通高采用型鋼混凝土柱(內(nèi)含H形鋼骨)。主樓水平構(gòu)件由現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁及預制疊合樓板組成,如圖7所示。單塔主樓周邊布置跨度8.4m的框架梁,主要截面400×750,連接外圍框架柱;連接外圍框架柱與剪力墻之間的框架梁,主要跨度為8.4m,主要截面為300×(600～700)。內(nèi)部筒體間剪力墻間距較大,墻體沿長度方向的連梁跨度較大,按框架梁設計。

圖7 典型樓層結(jié)構(gòu)平面布置圖

本工程兩單塔在7～9層樓面處連接,考慮施工便利性,連接體結(jié)構(gòu)采用鋼梁與現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板。連體跨度25.2m,與主體結(jié)構(gòu)采用強連接,型鋼伸入主體結(jié)構(gòu)一跨并可靠連接。連體樓板加厚到150mm以上,并加強配筋;同時在樓板底部設置由圓鋼管組成的水平支撐,作為大震下樓板損傷后的剛度儲備。

3.2 超限情況判斷

本工程高度不超限,扭轉(zhuǎn)不規(guī)則(部分樓層考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2),樓板不連續(xù)(2層通高大堂、裙房中部樓梯、7～9層連體部位樓板有效寬度小于50%),尺寸突變(多塔、9層豎向構(gòu)件縮進50%),構(gòu)件間斷(連體、2層局部吊掛柱)。有4項一般不規(guī)則項,屬于超限高層建筑工程,已經(jīng)通過超限高層建筑工程抗震設防專項審查。

抗震設計在滿足相關(guān)規(guī)范的同時,根據(jù)性能化抗震設計的概念,綜合考慮超限程度(4項一般不規(guī)則)、抗震設防類別為丙類、設防烈度為6度、結(jié)構(gòu)體系成熟、基礎(chǔ)埋深較大等因素,主樓性能目標選用D+級(在D級基礎(chǔ)上將中震下抗震性能水準提高到3)。

3.3 抗震專項分析

抗震專項分析信息見表1。經(jīng)計算對比,YJK、MIDAS Building兩個計算軟件計算結(jié)果相近且均滿足規(guī)范要求,說明模型合理,計算結(jié)果有效,符合實際工程狀況,可作為工程設計的依據(jù)。選取7組地震波進行彈性時程分析,其中5組為天然波、2組為人工波。經(jīng)計算,局部兩層彈性時程分析的地震剪力平均值相比反應譜計算結(jié)果略大,設計時根據(jù)彈性時程分析結(jié)果對相應樓層的反應譜地震剪力考慮放大系數(shù)。

表1 抗震專項分析信息

對于罕遇地震,采用PKPM-SAUSAGE軟件進行彈塑性動力時程分析,復核結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移,判斷結(jié)構(gòu)的薄弱部位并提出相應加強措施。計算結(jié)果表明,主要抗側(cè)力構(gòu)件沒有發(fā)生嚴重破壞,多數(shù)連梁屈服耗能,部分框架梁參與了塑性耗能。連體大跨處框架梁、柱按關(guān)鍵構(gòu)件控制,整體為輕度損傷,局部構(gòu)件為中度損傷。針對分析結(jié)果,增大與連接體直接連接的框架柱的截面,并進行專項節(jié)點分析。

3.4 主要抗震加強措施

本工程采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu),其抗側(cè)力體系由核心筒剪力墻、外圍框架兩部分組成,可提供多道抗震防線,第一道防線是核心筒剪力墻,第二道防線是外圍框架。采取以下措施［8-11］保障兩道防線具有足夠的安全儲備。

(1)連接體與主體結(jié)構(gòu)采用強連接,型鋼伸入主體結(jié)構(gòu)一跨并可靠連接。連體樓板加厚到150mm以上,并加強配筋。

(2)提高連接體及與其相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震等級,與連接體相連的框架柱通高采用型鋼鋼骨柱,嚴控軸壓比,在連接體高度范圍及其上、下層全柱采用箍筋加密。

(3)連體部分樓板開大洞,連體處框架梁采用純鋼梁減輕自重,3層連體樓板均加厚并加強配筋,采用全現(xiàn)澆形式加強整體性,并加入水平圓管支撐作為安全儲備。采用整樓、連體部分無樓板、分塔等模型分別計算,并進行包絡設計。

(4)6#單塔較5#單塔高兩層,通過調(diào)整剪力墻及框架梁設置,使兩單塔的周期及剛度接近。將連體頂部的豎向構(gòu)件收進樓層,即5#單塔屋面整層樓板加厚至160mm并加強配筋,同時提高該層上、下各2層周邊框架柱的抗震等級至三級。

(5)結(jié)構(gòu)在裙房樓層與連體樓層X向長度較大,增強整體結(jié)構(gòu)端部的豎向結(jié)構(gòu)布置以保證結(jié)構(gòu)整體的抗扭性能;并補充全樓溫度作用分析,結(jié)構(gòu)構(gòu)件按溫度作用包絡配筋。

(6)底部裙房以上為多塔結(jié)構(gòu),設置裙房2層為底部加強區(qū),裙房屋面以上設置1層過渡層,過渡層的邊緣構(gòu)件按底部加強區(qū)設置。裙房屋面層樓板加厚至150mm,并加強配筋。

(7)減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)影響,控制整體結(jié)構(gòu)位移比不大于1.40。對于局部扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的樓層,嚴控扭轉(zhuǎn)較大的一側(cè)框架柱的軸壓比和剪壓比,縱筋及箍筋也相應加強。

(8)對樓板局部不連續(xù),采用符合樓板平面內(nèi)實際剛度的計算模型,并對周邊加強配筋。對樓板大開洞造成的局部穿層柱,在計算分析的基礎(chǔ)上給予適當加強,配筋不小于相鄰不躍層框架柱。

4 單塔性能分析

剛性連接的連接體在地震作用下需要協(xié)調(diào)兩側(cè)塔樓的變形,本工程連接體樓板大開洞較為薄弱,宜分別對兩側(cè)單塔進行分析。在去除連體結(jié)構(gòu)的整體模型重新進行分塔后,對5#、6#單塔模型進行計算,按各單塔分別統(tǒng)計指標,計算模型如圖8所示。

圖8 分塔結(jié)構(gòu)模型

計算結(jié)果表明,5#、6#兩單塔各項主要指標均滿足相關(guān)規(guī)范要求,如表2所示。說明即使在連體失效后,兩單塔仍能獨立承擔地震作用不至于發(fā)生嚴重破壞。

表2 5#、6#單塔主要指標對比

對比兩單塔的主要振型,見圖9,兩單塔動力特性相似,第1階周期均為Y向平動,第2階周期均為X向平動,第3階周期為扭轉(zhuǎn)。因6#單塔比5#單塔建筑高度高,通過增強6#單塔的剪力墻布置,使兩單塔自振周期接近,以及各工況下的水平位移趨近于一致。因考慮整體模型的抗扭剛度需求,兩單塔均增強了遠離連體的端部剛度,使單塔模型靠近連體端變形偏大,但仍滿足扭轉(zhuǎn)位移比要求(≤1.5)。

圖9 單塔振型對比

5 連體部分設計

5.1 整體強度分析

連體處采用純鋼梁與現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板體系,內(nèi)部樓板開大洞。除加強板厚與配筋外,加入水平圓管作為安全儲備。在不同地震水準下,對連體部分進行了針對性的補充分析。

在多遇地震下,連體部分按水平、豎向地震各工況包絡設計。

在設防地震下,保守地對連體層樓板進行剛度削弱:厚度按原樓板50%建立模型,其余50%厚度樓板按恒載輸入,并采用彈性板模型進行計算。計算結(jié)果表明,中震下若樓板產(chǎn)生一定損傷后,水平支撐會進入工作狀態(tài)以彌補樓板剛度。連體框架梁仍處于彈性狀態(tài),框架柱配筋略有增大,設計中增強配筋,使其滿足中震彈性的要求。

在罕遇地震下,為驗證本工程水平支撐的安全儲備功能,保守地將連體層樓板人為修改為0厚板,以模擬大震下樓板全部損壞的工況。計算結(jié)果表明,大震下在樓板缺失的情況下,水平鋼支撐應力比小于1,能夠保證結(jié)構(gòu)水平傳力,滿足大震不屈服的要求。

5.2 節(jié)點應力分析

本工程采用MIDAS Gen有限元軟件對連體部分節(jié)點進行彈性有限元分析,通過在結(jié)構(gòu)整體模型中建立精細節(jié)點單元模型的方式(圖10),可更直接地分析在各工況下單塔和連接體連接節(jié)點的受力情況。整體模型采用梁單元模擬結(jié)構(gòu)梁柱,殼單元模擬結(jié)構(gòu)墻體。對于需要精細分析的節(jié)點部位,采用考慮平面外剛度的板單元模擬鋼梁和混凝土內(nèi)型鋼,采用實體單元模擬構(gòu)件混凝土。將精細節(jié)點模型端部截面的節(jié)點與周邊框架的梁單元端部節(jié)點通過節(jié)點約束的方式連接。

圖10 節(jié)點計算模型

根據(jù)計算結(jié)果,因建筑高度不高,但連體處跨度較大,其主要受力特點接近于豎向荷載主導的模式。如圖11所示,在地震與重力荷載組合下,型鋼鋼板最大應力出現(xiàn)在連體純鋼梁與型鋼混凝土交界處頂部,最大應力88MPa,處于彈性工作狀態(tài)。混凝土單元最大應力也出現(xiàn)在型鋼混凝土柱與鋼梁的交界部位,設計時增強此處型鋼柱的混凝土強度等級至C50,并加強該部位的抗剪栓釘及箍筋的構(gòu)造。

5.3 連體舒適度分析

本工程連體處采用大跨度鋼梁,為保證其在使用時具有適宜的舒適度,對其進行舒適度分析。用YJK軟件,采用WYD-Ritz法,通過有限元計算分析樓板自振頻率(圖12),計算結(jié)果表明,本工程樓板自振頻率最低處位于連體樓板中部,最小頻率為4.26Hz,全樓樓板豎向振動自振頻率均大于3Hz,滿足規(guī)范要求。

圖12 連體樓板第1階自振模態(tài)

連接體區(qū)域樓蓋采用鋼-混凝土組合樓蓋,根據(jù)高規(guī)附錄A,參照辦公取值,樓蓋結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.02,人員行走作用力取0.6kN。

根據(jù)連體的自振頻率計算結(jié)果,利用YJK有限元軟件,對樓蓋施加一條經(jīng)過第1階自振模態(tài)位移最大點的行走激勵荷載軌跡線,模擬最不利狀態(tài)下樓蓋的加速度響應,并記錄最不利點的加速度時程曲線。如圖13所示,在人行荷載下連體部分的樓板豎向加速度最大值為0.024m/s2,豎向加速度峰值滿足規(guī)范限值0.15m/s2。

圖13 人行荷載下樓板加速度時程曲線

6 樓板應力分析

6.1 地震作用下樓板應力分析

考慮到本工程裙房樓板大開洞、標準層筒體內(nèi)樓板大開洞、連體部位大開洞;并且裙房屋面頂部多塔、7～9層樓面連體等樓板受力復雜,按小震作用復核上述樓層樓板的應力,以保證水平力的有效傳遞,采用YJK軟件進行整體結(jié)構(gòu)在小震作用下的樓板應力分析,相應樓層全層定義為彈性膜。由圖14可知,以9層樓板(連體頂層)為例,樓板單元平均應力小于混凝土抗拉強度設計值1.43N/mm2,考慮樓板構(gòu)造措施加強,在正常使用狀態(tài)下,樓板滿足小震下彈性設計要求。

圖14 小震作用下9層樓板應力/MPa

按中震作用復核上述樓層樓板的應力,以保證水平力的有效傳遞。本工程7～9層連體處樓板單元平均應力約為0.8N/mm2,小于混凝土抗拉強度設計值ftk=2.01N/mm2,考慮板厚加強,擬配置10@150雙層雙向鋼筋,樓板最大拉力作用下鋼筋不屈服,滿足中震下鋼筋不屈服要求。

6.2 溫度作用下樓板應力分析

本工程在底部2層裙房位置最大長度為162.87m,在7～9層樓面位置連體部位,連體總長達132.2m,結(jié)構(gòu)長度較長,需進行溫度作用分析。

設計要求施工后澆帶閉合溫度為15～25℃,根據(jù)當?shù)啬昶骄鶜鉁厍闆r,本工程分別采用升溫20℃與降溫20℃工況進行計算。用YJK軟件,對全樓施加節(jié)點溫度荷載,分析溫度作用影響。本工程為混凝土結(jié)構(gòu),考慮混凝土的徐變應力松弛特性,將上述彈性計算的溫差內(nèi)力乘以徐變應力松弛系數(shù)0.3。

如圖15所示,在溫度應力作用下樓板應力總體呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)中部應力大、兩邊小的整體趨勢。2層中部區(qū)域樓板在X向最大平均應力約為0.45N/mm2,局部樓板大開洞周邊最大平均應力約0.70N/mm2,按溫度作用產(chǎn)生的附加應力在板內(nèi)配置附加鋼筋。連體部位的三層樓板,在全樓溫差作用下因受到水平約束較小,在溫度荷載下產(chǎn)生的附加應力小于0.02N/mm2,考慮到連體層樓板配筋構(gòu)造加強,連體層樓板能滿足溫度作用下的承載力要求。

圖15 溫度作用下X向樓板應力/MPa

7 結(jié)語

(1)本工程為兩棟不等高單塔組成的強連接連體結(jié)構(gòu),兩單塔均采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系,連體部分采用純鋼梁與現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板,存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、多塔、連體等4項一般不規(guī)則項。

(2)針對本工程超限特點,結(jié)構(gòu)設計通過設置多道防線,力求結(jié)構(gòu)平面及豎向布置規(guī)則,并采用加強關(guān)鍵構(gòu)件等措施提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能。此外因連體部分較為薄弱,分別對不等高的兩單塔單獨分析、調(diào)整單塔結(jié)構(gòu)布置,確保兩單塔動力特性接近、能獨立承擔地震作用。計算結(jié)果表明采取的措施可以滿足設計性能目標。

(3)對于有效寬度較小的連體部分結(jié)構(gòu)。采用加強樓板厚度、提高樓板配筋率并增設水平鋼支撐等方式提高樓板安全儲備。通過不同水準地震下對連體部分的計算分析、專項節(jié)點分析、舒適度分析以及樓板應力分析等補充計算,確保大開洞的連體能夠滿足強連接要求。