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摘要:近年來，隨著建筑功能的日新月異和建筑立面的需求多樣化，連體結(jié)構(gòu)被越來越多的工程運(yùn)用，連體的連接形式也越來越多樣化。結(jié)合具體工程實(shí)例，對(duì)一超限連體結(jié)構(gòu)工程的性能化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，并對(duì)其結(jié)構(gòu)計(jì)算要點(diǎn)進(jìn)行了分析，最終得出了一些有意義的結(jié)論。

關(guān)鍵詞:連體結(jié)構(gòu);超限結(jié)構(gòu);性能化設(shè)計(jì)

1工程概況

本項(xiàng)目位于福建省寧德市，項(xiàng)目總建筑面積約54000m2，其中地上建筑面積約45000m2，地下建筑面積約8600m2。建筑立面圖見圖1。本項(xiàng)目下部為一層整體大地下室(層高5．5m)，主要功能為停車及食堂加工區(qū)，部分區(qū)域戰(zhàn)時(shí)為人防單元。上部各單體均以地下室頂板面為嵌固端。地上建筑部分由南側(cè)12層的主樓(裙房3層)及北側(cè)3層的附樓組成。其中主樓的主要功能有辦公、宣傳、培訓(xùn)、檔案、倒班宿舍等，附樓的主要功能為職工食堂。主樓建筑高度52．2m，附樓建筑高度13．5m。連體主樓地上共12層，總高52．2m(底層層高6．0m，三層層高4．5m，其余標(biāo)準(zhǔn)層層高4．2m)，主要功能為辦公、培訓(xùn)、技術(shù)用房等。1層～9層為東西兩個(gè)單體塔樓，并在10層～12層通過四榀桁架(北側(cè)兩榀跨度為26．6m、南側(cè)兩榀跨度為42．8m)形成的連接體連結(jié)在一起(兩單體塔樓形體對(duì)稱，動(dòng)力特性接近，為連體創(chuàng)造良好的條件)［1］。整體結(jié)構(gòu)采用混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，全現(xiàn)澆混凝土梁板體系，剪力墻主要集中布置在結(jié)構(gòu)的端部及連接體兩側(cè)［2］。

2結(jié)構(gòu)體系

連體結(jié)構(gòu)按連接方式的不同可以分為兩大類:強(qiáng)連接和弱連接?！陡咭?guī)》中提出:連體結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)宜采用剛性連接，是由于連體結(jié)構(gòu)的連體部位受力復(fù)雜，連體部分的跨度也一般較大，采用剛性連接在結(jié)構(gòu)分析和構(gòu)造上更容易把握。而當(dāng)兩側(cè)塔樓的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性存在較大差異時(shí)，如采用強(qiáng)連接，則難以協(xié)調(diào)連接體兩側(cè)塔樓的整體受力和變形。此時(shí)可采用弱連接，如:采用隔震支座+黏滯阻尼器。當(dāng)采用弱連接時(shí)需要注意的是支座滑移量需滿足大震情況下的位移要求，采取防墜落措施。本項(xiàng)目由于兩單體塔樓形體對(duì)稱，動(dòng)力特性接近，優(yōu)先考慮采用強(qiáng)連接的方式。連接體部分與主樓采用剛性連接，具體為連接體部分的底部?jī)蓪硬捎娩撹旒苄问剑忆摴巧烊雰蓚?cè)主樓內(nèi)各一跨并可靠連接(即兩側(cè)主樓內(nèi)一跨采用鋼骨混凝土梁，兩側(cè)主樓內(nèi)連體處邊柱采用型鋼柱)，連體部分的上部二層為鋼框架。為保證連接體部位結(jié)構(gòu)內(nèi)力的有效傳遞，加強(qiáng)整體性，連接體范圍內(nèi)樓板均進(jìn)行了加強(qiáng)，連體桁架下弦樓板及屋頂層樓板加至180厚，其余樓層加至150厚;同時(shí)連接體兩側(cè)主樓內(nèi)一跨的樓板在連體高度及其下一層加強(qiáng)為150厚。底部三層裙房為兩個(gè)高層單體的大底盤，產(chǎn)生豎向體型收進(jìn)。裙房屋面樓板加厚至150mm，且體型突變部位上、下層樓板也加厚至最小120mm。連體桁架南側(cè)兩榀剖面示意圖見圖2，桁架參數(shù)見表1。

2．1性能化設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目屬于體型特別不規(guī)則性高層建筑，根據(jù)性能化抗震設(shè)計(jì)的概念，綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等因素，抗震性能目標(biāo)選用“C”，即多遇地震下結(jié)構(gòu)達(dá)到性能水準(zhǔn)“1”的要求，設(shè)防烈度地震下達(dá)到性能水準(zhǔn)“3”的要求，預(yù)估罕遇地震下達(dá)到性能水準(zhǔn)“4”的要求，詳見圖3。本工程擬采用的不同地震烈度水準(zhǔn)下的具體性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，見圖4。

2．2針對(duì)超限的措施

根據(jù)本項(xiàng)目的具體特點(diǎn)，本工程主要采取以下措施來進(jìn)行抗震加強(qiáng):1)計(jì)算措施。采用YJK和MidasBuilding兩個(gè)結(jié)構(gòu)軟件對(duì)小震下計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)，并以彈性時(shí)程分析作為補(bǔ)充驗(yàn)算;采用YJK軟件進(jìn)行中震、大震下的性能設(shè)計(jì)，保證關(guān)鍵構(gòu)件能達(dá)到預(yù)期性能目標(biāo);采用PKPM-Sausage軟件進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，復(fù)核結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移，判斷結(jié)構(gòu)的薄弱部位、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度，對(duì)關(guān)鍵部位和關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行有針對(duì)性的加強(qiáng)，確保大震2)連體部位的加強(qiáng)措施。a．連接體采用剛性連接，為保證剛性連接，在連接體兩端及其內(nèi)伸主體一跨位置設(shè)置型鋼混凝土柱，型鋼柱間用型鋼梁連接;同時(shí)桁架弦桿加大截面，與型鋼柱剛接;連接體兩側(cè)的主樓內(nèi)布置了剪力墻，用以控制連接體兩側(cè)的位移和變形，并承受連接體樓板傳遞的水平地震力;將連接體鋼桁架及與其相連的型鋼柱、剪力墻設(shè)為關(guān)鍵構(gòu)件，抗震等級(jí)提高一級(jí)進(jìn)行加強(qiáng)，型鋼柱在連接體高度范圍及其上、下層，箍筋全柱段加密配置，軸壓比限值按其他樓層框架柱的數(shù)值減小0．05采用;與連接體相連的剪力墻在連接體高度范圍及其上、下層設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。b．小震、中震計(jì)算中指定連接體樓板為彈性板，進(jìn)行樓板應(yīng)力分析，并采取措施加強(qiáng)樓板(樓板加厚、配筋加強(qiáng));同時(shí)加強(qiáng)連接體兩側(cè)主樓內(nèi)一跨的樓板(增加板厚、加強(qiáng)配筋);大震下連接體樓板按“零板厚”，以考慮樓板失效對(duì)連接體鋼構(gòu)件的影響，對(duì)連體桁架及周邊關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。3)豎向構(gòu)件收進(jìn)的加強(qiáng)措施。a．加強(qiáng)突變層的樓板厚度和配筋。裙房頂板厚加大至150mm，配筋率不小于0．25%，并在計(jì)算中按彈性板復(fù)核樓板應(yīng)力。b．上下層結(jié)構(gòu)樓板也適當(dāng)加強(qiáng)構(gòu)造措施，樓板厚度不小于120mm，配筋率不小于0．25%。c．體型收進(jìn)部位上下各兩層塔樓周邊豎向構(gòu)件的抗震等級(jí)提高一級(jí)，并加強(qiáng)收進(jìn)部位以下二層的周邊豎向構(gòu)件配筋和軸壓比控制。2．3抗震等級(jí)調(diào)整部位抗震等級(jí)調(diào)整部位見表2。

3結(jié)構(gòu)計(jì)算要點(diǎn)

3．1樓板應(yīng)力分析《高規(guī)》5．1．5條要求，當(dāng)樓板可能產(chǎn)生較明顯的面內(nèi)變形時(shí)，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮樓板面內(nèi)變形影響。本項(xiàng)目10層～12層存在連體，連體部位的樓板受力相當(dāng)復(fù)雜:1)兩個(gè)單體塔樓間的水平地震力需通過連體部位進(jìn)行傳遞;2)由于連體跨度大(42m)，考慮豎向地震作用。因此在YJK軟件計(jì)算中，對(duì)連體所在層樓板指定為彈性板6，以便對(duì)樓板應(yīng)力進(jìn)行分析。該單元既有面內(nèi)剛度又有面外剛度，且采用有限元計(jì)算彈性板荷載，同時(shí)考慮梁與彈性板變形協(xié)調(diào)，此時(shí)彈性樓板的配筋不僅考慮彎矩的作用，還考慮板單元受到的拉力或壓力的作用，按壓彎或拉彎構(gòu)件分析，從而提高了精確性。圖5為十層底板在地震工況下的樓板應(yīng)力。

3．2剪力墻墻肢的偏心受拉驗(yàn)算

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》第十二條第四款，“中震時(shí)雙向水平地震下墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)宜設(shè)置型鋼承擔(dān)拉力，且平均名義拉應(yīng)力不宜超過兩倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(可按彈性模量換算考慮型鋼和鋼板的作用)，全截面型鋼和鋼板的含鋼率超過2．5%時(shí)可按比例適當(dāng)放松?！北竟こ碳袅θ孛媸芾饕堑卣鹱饔孟碌臉菍訌澗厮?，因此底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻，尤其是結(jié)構(gòu)邊、角部的剪力墻全截面平均拉應(yīng)力會(huì)較大，考慮到底部二層所有剪力墻的截面、配筋完全相同，但二層的軸向拉力明顯小于底層的軸向拉力，所以本次只驗(yàn)算底層剪力墻墻肢的全截面名義拉應(yīng)力。用盈建科軟件進(jìn)行偏拉驗(yàn)算，剪力墻未輸出數(shù)值則代表在中震下該剪力墻仍受壓，不需驗(yàn)算其偏拉。所輸出的底層各墻肢的數(shù)據(jù)依次為:ftk與比值、軸向拉力、強(qiáng)編號(hào)，經(jīng)計(jì)算，地震引起的拉應(yīng)力最大平均拉應(yīng)力為1．86MPa，小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(C30(最小)，ftk=2．01MPa)，滿足中震下的關(guān)鍵構(gòu)件的承載力驗(yàn)算要求。

3．3大震性能設(shè)計(jì)

罕遇地震作用下，按大震不屈服的要求，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。大震計(jì)算時(shí)，在結(jié)構(gòu)總信息中選擇不計(jì)算風(fēng)荷載，地震影響系數(shù)最大值取為0．28，周期折減系數(shù)取1．0，連梁剛度折減系數(shù)取0．3，阻尼比取0．06，與抗震等級(jí)相關(guān)的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)程序已自動(dòng)設(shè)為1。在盈建科軟件中性能設(shè)計(jì)菜單中勾選“大震”“性能設(shè)計(jì)(高規(guī))”“性能水準(zhǔn)4”。用該計(jì)算結(jié)果來驗(yàn)算關(guān)鍵構(gòu)件是否達(dá)到預(yù)設(shè)的抗震性能目標(biāo)。此外，考慮到大震時(shí)連接體部位的樓板可能破壞失效，按最不利情況，在模型中將連接體部位的樓板板厚均設(shè)為0，將樓板自重加入到恒載中進(jìn)行分析，此時(shí)，樓板沒有剛度，僅起到導(dǎo)算荷載的作用。3．4樓層板舒適度驗(yàn)算根據(jù)規(guī)范要求，樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適宜的舒適度，樓蓋的豎向振動(dòng)頻率不宜小于3Hz。用YJK軟件，采用迭代Ｒitz向量法，通過有限元計(jì)算分析各樓層樓板自振頻率，得到各樓層豎向振動(dòng)頻率值如表3所示，可見均滿足規(guī)范要求。從樓板振型圖可見，樓層振動(dòng)主要集中在連接體樓板處。故單獨(dú)對(duì)該處樓板進(jìn)行適度驗(yàn)算。根據(jù)《高規(guī)》附錄A，本次采用時(shí)程分析法計(jì)算樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)加速度。本工程連接體區(qū)域樓蓋采用鋼－混凝土組合樓蓋，建筑功能主要為活動(dòng)室，根據(jù)《高規(guī)》附錄A，參照室內(nèi)人行天橋取值，樓蓋結(jié)構(gòu)阻尼比取為0．02，人員行走作用力取0．42kN。計(jì)算時(shí)取連續(xù)步行荷載時(shí)程曲線如圖6所示。樓蓋采用彈性板，按有限元?jiǎng)澐郑虞d2條荷載軌跡線，如圖7所示。工況1模擬人沿走廊從連接體一端走向另一端，計(jì)算所得的樓蓋豎向振動(dòng)加速度包絡(luò)圖如圖8所示。由圖6可知，樓蓋最大加速度為0．115m/s2，小于《高規(guī)》3．7．7條中的峰值加速度限值0．15m/s2，滿足要求。

4結(jié)論

1)YJK和MidasBuilding兩種不同計(jì)算內(nèi)核的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算結(jié)果基本一致，表明計(jì)算模型符合實(shí)際工作狀況，計(jì)算結(jié)果合理有效，可作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。結(jié)構(gòu)整體彈性分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)主要計(jì)算指標(biāo)，包括剪重比、剛重比、周期比、位移比、層間位移角等均滿足規(guī)范要求。多遇地震下各構(gòu)件均能滿足彈性設(shè)計(jì)要求，構(gòu)件截面取值合理，結(jié)構(gòu)體系選擇恰當(dāng)。2)彈性時(shí)程計(jì)算所選用的地震波與規(guī)范反應(yīng)譜“在統(tǒng)計(jì)意義上相符”，底部剪力滿足規(guī)范相關(guān)要求。計(jì)算結(jié)果表明，反應(yīng)譜法計(jì)算的結(jié)果僅在出屋面層需乘以放大系數(shù)1．02。3)設(shè)防烈度地震作用下，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角小于預(yù)設(shè)的1/400限值目標(biāo)，說明結(jié)構(gòu)整體剛度較為適宜;設(shè)防烈度地震作用下，連體部位的鋼構(gòu)件應(yīng)力比均小于1．0，可認(rèn)為均處于彈性狀態(tài)，符合預(yù)定的抗震性能目標(biāo);采用YJK軟件對(duì)結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度下進(jìn)行不同性能水準(zhǔn)的計(jì)算分析，并將配筋結(jié)果與多遇地震下的配筋結(jié)果取包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)件預(yù)定的抗震性能目標(biāo)。4)罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角小于規(guī)范限值1/100，結(jié)構(gòu)整體剛度較大，高于預(yù)期性能目標(biāo);罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)塑性變形發(fā)展的順序是:樓面梁→剪力墻→框架柱，結(jié)構(gòu)整體損傷程度不重，大部分構(gòu)件為輕微～輕度損傷，連接體鋼桁架無(wú)損傷。各構(gòu)件的損傷情況符合預(yù)先設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。綜上所述，本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠滿足規(guī)范要求，做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”。

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作者:王宇軒 戴琳 陳培威 單位:浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 漢嘉設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司