浅析某连体结构的抗震设计

刘 洋

(军委政治工作部房地产管理处,北京 100035)



浅析某连体结构的抗震设计

刘 洋

(军委政治工作部房地产管理处,北京 100035)

结合高烈度区某双塔连体结构项目,详细阐述了双塔连体结构的结构布置、连体结构力学模型的建立,通过不同力学模型计算分析其受力性能和相互影响,探讨了连体结构在水平地震和竖向地震作用下的动力反应特性;并针对结构的薄弱部位和关键构件提出了抗震设计时的加强措施和方法,从而为类似的工程计算和分析设计提供了参考。

连体结构;竖向不规则;弹性膜;竖向地震;桁架结构

连体结构是指两个塔楼或多个塔楼由设置在一定高度处的连接体相连而组成的建筑物。影响连体高层结构静力、动力受力特性的主要因素包括：塔楼的结构形式；塔楼的对称性；连接体的刚度、数量及位置；连接体与塔楼的连接方式；竖向地震效应；风荷载脉动效应等[1-2]。

1 工程概况

某大型综合楼由两个对称双塔形成的连体组成,地下2层,地上8层,南北纯地下室为车库及设备用房,首层层高5.1 m,以上各标准层4.2 m,双塔分别在第6层和第8层设置连接体,其中第6层采用钢桁架形式(两端刚接),第8层受建筑空间限制采用组合钢梁形式(两端固定铰接),地上部分主要为办公以及会议室等功能,总建筑面积约5万m2。

本工程结构安全等级为二级,设计使用年限为50年。抗震设防烈度为8度,设计基本加速度值为0.20 g,设计地震分组为第二组,抗震设防分类为丙类,建筑场地类别为Ⅲ类,地基承载力特征值为200 kPa,采用梁板式整体式筏板基础；上部结构采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙,连体部分分别采用了钢桁架以及组合钢梁。结构空间模型见图1、图2。

图1 结构计算模型

图2 连接体局部放大图

2 结构方案

2.1 结构布置

两侧塔楼均采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系,塔楼纵向柱网为8.4 m,共6跨,横向3 m×8.4 m,共3跨。框架柱断面：地下部分900 mm×900 mm,地上部分800 mm×800 mm；标准层框架梁450 mm×700 mm,剪力墙厚度:地上4层(含)以下450 mm,地上4层以上350 m。竖向构件的混凝土强度等级由C55过渡到C40,梁、板以及楼梯构件均采用C35混凝土。

在左右两个塔楼的第6层,通过设置钢结构连廊来实现两个塔楼之间的联系,连体采用钢桁架作为主要的承重体系,通过设置水平布置的楼板以及交叉水平支撑,形成较强的整体刚度,来实现与两个塔楼之间的可靠连接与内力传递。桁架跨度为25.2 m。连接桁架上下端部与塔楼框架柱刚性连接。

2.2 加强措施

1)调整两个塔楼的抗侧刚度,减小双塔整体计算时结构的扭转位移过大以及连体部分产生过大应力。

2)连接体共设4榀竖向钢桁架,且上下弦分别与第7层和第6层楼面铰接,桁架之间设置水平系杆和交叉水平支撑,与楼板构成整体,使连接体具有足够的竖向和水平方向的抗弯、抗剪刚度以及轴向刚度,在满足承载能力的基础上,满足连接体楼层的舒适度要求。

3)钢桁架采用整层的桁架结构,弦杆和腹杆均为箱型截面,桁架上弦与端部的混凝土柱均为铰接。连接体部分的楼面主梁采用焊接宽翼缘H钢,并与桁架弦杆刚接。

4)连接体的4榀桁架直接相连的框架柱均采用型钢混凝土柱全部落地,柱子的抗震等级由二级提高到一级,同时向内延伸一跨的框架柱(包括墙肢端柱)在连接体上下各一层范围内设置型钢,以增强柱的承载力并提高其延性;同时与型钢柱相连的楼面梁采用型钢混凝土梁,以保证连接的可靠性。

对于多塔连体结构中连体部分与主塔之间的连接节点设计部位,根据《高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3—2011)》(以下简称《高规》)要求,连体结构部分进行抗震性能化设计,连体部分应该竖向地震组合,连体部分构件与节点设计宜按中震弹性进行设计[3-4]。

3 结构计算分析

该工程采用SATWE和ETABS两个力学模型软件进行多遇地震下的内力和变形分析,并对计算结果进行对照分析和包络设计。结构抗震分析时,按照不规则结构,考虑双向地震和偶联效应,取前24阶振型,以保证质量参与系数不小于90%。

同时采用弹性时程分析法进行多遇地震作用的补充计算,取多条时程曲线计算结果的平均值和反应谱法计算的较大值[3-4]。

计算模型分析：

根据本工程实际情况,建模过程中做了以下模拟,以保证结构安全。

1)施工顺序,本工程主楼施工完成后,再进行连接体施工,主楼各层—连接体顶层—连接体桁架层。

2)计算时,桁架上下弦楼板定义为弹性板,以计算出设计需要的杆件内力。多遇地震和风荷载作用下,楼板拉应力不超过混凝土轴心抗拉强度标准值。

3)小震作用下,按照规范提供的简化方法补充考虑连体部位竖向地震。

4)按照“中震弹性”补充计算连接体钢构件内力以及直接与连接体相连接的框架梁柱。

3.1 主要计算结果

采用合适的楼板假定(弹性膜)保证小震下结构处于弹性阶段。SATWE程序计算结果是工程设计的主要依据,ETABS程序计算结果则作为设计校核的补充依据。计算结果表明,自振周期在合理范围内,结构周期比小于0.85,位移比以及位移角均满足《高规》要求。部分计算结果见表1、表2。

表1 结构自振周期计算结果对比

表2 地震下结构变形参数结果比较

3.2 结构的弹性时程分析

采用SATWE软件按照建筑场地类别和设计地震分组,选择两组实际的地震记录和一组人工模拟加速度时程进行结构弹性时程分析。输入地震加速度最大值70 cm/s2,并按1∶0.85考虑双向地震输入。计算结果见表3。

表3 弹性时程分析结果

3.3 专项分析

3.3.1 单塔计算

根据规范要求,当刚性连接的连接体部分楼板较薄弱时,宜补充连接体两侧塔楼的单体计算和承载力复合,即假定双塔之间连廊发生破坏,两侧的塔楼形成独立的抗震单元,以保证结构整体安全,防止连续性倒塌。两塔楼单独建模计算,作为整体模型结果的补充,满足“大震不倒”的原则。

3.3.2 连接体部位楼板应力分析

连接体部位楼板应力分析见图3、图4。

图3 X方向地震楼板应力

图4 Y方向地震楼板应力

3.3.3 连接体桁架应力分析

1)小震作用下桁架杆件应力比见图5。

2)中震作用下桁架杆件应力比见图6。

4 抗震措施

本工程的结构设计基本能满足规范要求的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防标准。但是在抗震设计中更重要的是概念设计,即所谓“三分计算,七分构造”,因此，还应当应用工程经验和通过计算分析对发现的薄弱部位采取加强措施。

图5 小震作用下桁架杆件应力比

为保证在水平地震作用下连接体部位楼层剪力的有效传递,增强塔楼之间的协同工作性能,对连接体采取如下加强措施：

1)连接体顶层和底层(即钢桁架的上弦层和下弦层)采用组合楼盖,板厚150 mm,连接体两塔楼第一跨范围板厚度200 mm。连接体部位楼板按照内力包络值进行配筋设计。

2)连接体楼板下设置交叉钢支撑,与楼板共同传递水平力,增强连体的整体抗弯、抗剪和轴向变形能力,使连接体部分的楼层与主楼尽量符合刚性板假定。

图6 中震作用下桁架杆件应力比

3)对应于连接体上下弦的楼层的纵向框架梁配筋适当加强,并保证纵筋全部通长设置。

5 结 语

本文以某双塔连体结构为背景,对复杂高层连体结构进行了抗震设计和研究,加强连接体以及与连接体相连的构件的构造设计,一般情况下,连接体与主体的连接要用刚性连接。跨度大时,可采用钢桁架,以便减轻结构自重和方便施工。

根据本工程的复杂性特点,对关键环节和重要部位进行了性能化设计。通过概念设计和弹性、 弹

塑性分析计算,以及多种抗震构造措施的运用,结构物满足了小震、中震和大震作用下各项指标的要求。

[1] 沈蒲生. 多塔与连体高层结构设计与施工[M]. 北京：机械工业出版社,2009.

[2] 唐兴荣.特殊和复杂高层建筑结构设计[M].北京：机械工业出版社,2006.

[3] 中国建筑科学研究院.GB 50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.

[4] 中国建筑科学研究院.JGJ 3—2011高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社,2011.

Brief Analysis on the Seismic Design of a Connected Structure

LIUYang

2016-09-28

刘 洋(1977—)，男，湖南衡阳人，工程师，从事建筑工程管理工作。

TU352.1

B

1008-3707(2016)11-0021-03