某双塔连体超高层结构连接体方案设计与分析*

李英民 陈彬彬 姜宝龙 陈鸷坤

（1.重庆大学土木工程学院 400045；2.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室 400045；3.华润置地（重庆）有限公司 400050）

引言

连体结构一般指两栋或多栋高层建筑之间由架空连接体相互连接，以满足建筑造型及使用功能的需求［1］。连接体自身受力较复杂，而且对结构整体的受力性能有较大影响，因此，连接体本身结构形式的选择和连接体与塔楼间连接方案的选择，便成为了连接体结构设计中的关键性问题［2，3］。

本文根据实际工程案例，选择了一幢双塔超高层连接体结构作为研究对象，该工程在连接体与主体塔楼间的连接形式、连接体的位置和连接体内杆件间连接方式的选择上有多种备选方案，为了选择最优结构方案，进行各方案下整体结构及连接体的对比分析研究。根据设计要求，使用ETABS和SAUSAGE对整体结构进行弹性和弹塑性的计算分析，使用ABAQUS对连接体进行受力特性的研究和分析，并根据分析结果判断出最佳方案。

1 工程概况

本工程为两栋超高层连体塔楼、三层地下车库及配套用房，三层地下室形成大底盘，塔楼建筑平面形状接近于正方形，局部有不规则，主体结构采用混凝土框架-核心筒结构，结构高度202.15m，层数为55层，连接体将两侧主体塔楼连接起来。建筑效果及结构平面布置见图1和图2。本工程设计中主体与连接体之间采取何种连接方式，连接体位置及连接体内部斜腹杆与连接体骨架之间采取何种连接方式等问题值得讨论，因此本文针对性地展开分析讨论这三种因素对主体结构和连接体的影响，并对比分析各方案下结构及连接体的响应特征。

图1 建筑效果图Fig.1 Architectural effect drawing

图2 结构平面布置示意（单位：mm）Fig.2 Structure plan layout（unit：mm）

2 连接体位置及其与塔楼连接方式分析

该建筑结构安全等级为二级，场地条件为Ⅱ类，抗震设防烈度为6度。初方案中连接体与主体结构间采用铰接的连接方式，但规范［4］指出，连接体结构与主体结构宜采用刚性连接，连接体的位置也是工程设计中讨论的重点问题，因此本文对比铰接与刚接两种方案的特点以及不同高度布置连接体对整体结构的影响。并运用ETABS分析软件对主体结构进行小震下的弹性反应谱分析，使用SAUSAGE软件对结构进行大震下的弹塑性时程分析［5］，以观察不同的连接方式及连接体高度对结构性能的影响。各结构方案计算简图如图3所示，计算模型示意见图4。

图3 各结构方案计算简图Fig.3 Calculation sketch of structure scheme

图4 结构ETABS计算模型Fig.4 ETABS models of structure

2.1 整体结构弹性计算结果

各方案下结构前6阶周期如表1所示，通过ETABS反应谱分析计算的各方案小震下结构的层间位移包络图如图5所示，楼层剪力包络图如图6所示。以下各计算结果中，结构的两个主轴方向分别为X向和Y向，如图2所示。

表1 各方案下结构周期对比Tab.1 Period of structure scheme models

图5 小震下结构的层间位移包络图Fig.5 Story drift ratios under frequent earthquake

图6 小震下结构的楼层剪力包络图Fig.6 Story shear under frequent earthquake

模态分析方面，由表1的结果可以看出，方案1与方案2各阶周期基本相同，方案3与方案4周期也相差不大，说明在连接体位置不变的前提下，结构周期变化不大，连接方式对结构整体刚度影响不大；方案1比方案3结构周期小1.8%，同样方案2也比方案4结构周期小1.8%，且方案1和方案2的扭转周期比也要比方案3和方案4小0.8%，说明连接方式相同时，较低位（中上部）的连接体结构刚度要大于较高位（顶层）的连接体结构刚度。

结构响应方面，从层间位移角的对比中可以看出，由于连接体所在层侧向刚度突变，因此连接体处的层间位移角突然减小，但整体上除突变位置不同外，四种方案整体层间位移角没有太大区别；从层剪力的对比中可以看出，X向地震作用下四种方案差别较小，而Y向地震作用下方案1和方案2产生的各层剪力明显要小于方案3和方案4，说明在设计上较低位的连接体结构要略优于较高位。

2.2 整体结构弹塑性计算结果

为了对比各方案结构在大震下的性能，采用SAUSAGE计算分析软件进行结构弹塑性时程分析，所选取的三条地震波对应的反应谱曲线如图7所示。通过大震下的时程分析得出X向层间位移包络图如图8所示，楼层剪力包络图如图9所示，以及结构连接体所在层楼板的混凝土损伤云图如图10所示。

图7 所选地震波反应谱曲线与规范谱曲线Fig.7 Response spectrum of earthquake ground motions

图8 大震时程分析结构的X向层间位移角包络图Fig.8 Story drift ratios under rare earthquake

图9 大震时程分析结构的X向楼层剪力包络图Fig.9 Story shear under rare earthquake

由图8中曲线可以看出，在大震作用下，根据层间位移角曲线的对比，方案1和方案2层间位移角基本相同，方案3和方案4层间位移角也基本相同，说明在连接体位置不变的前提下，连接方式对结构位移响应的影响并不显著，这与弹性计算结果规律相似。而方案1的最大层间位移角要小于方案3，方案2的最大层间位移角要小于方案4，可以说明连接方式相同时，较高位的连接体结构最大层间位移角要大于较低位的。

图10 各方案下连接体所在层楼板混凝土损伤云图Fig.10 Concrete damage of connected floor

由图9可以看出，各方案下层剪力规律相似，数值相差不大，说明连接体的位置和连接方式变化对大震下的层剪力影响较小。

为研究四种方案下连接体所在层楼板的塑形反应特征，对比了各条地震波下的连接体所在层楼板的混凝土损伤情况，各条波计算结果规律相似，现以结构响应较大的天然波2的计算结果作为代表，列出其损伤云图如图10所示。由于地震作用下层剪力分布规律，较高位的连接体受力要小于较低位的连接体，因此可以从损伤云图中看出在连接方式相同的情况下，方案1比方案3损伤程度严重，方案2也比方案4损伤程度严重。同时，从损伤云图中还可以看出，方案1与方案2的拉压损伤程度相差不大，方案3受拉损伤程度比方案4略小，说明在连接体位置相同的前提下，就楼板损伤情况来说，刚接方案要略优于铰接方案。

2.3 结构计算结果分析与讨论

综合考虑小震弹性反应谱分析和大震弹塑性时程分析的结果，可以分析总结出以下规律：

（1）就连接体位置考虑，与较高位连接体方案3和方案4相比，较低位连接体方案1和方案2的结构基本周期相对较小，整体刚度较大，小震弹性反应谱分析下的Y向楼层剪力也较小，大震弹塑性时程分析下最大层间位移角也较小。因此，宜优先选择较低位连接体结构方案1和方案2。

（2）就连接方式考虑，主体与连接体采用刚接还是铰接对结构动力特性和整体结构地震响应的影响并不显著，尚不能在铰接和刚接方案中做出选择。因此将在下文中从其他方面继续针对连接方案进行分析讨论。

3 各连接方案下连接体的有限元分析

3.1 连接体模型概况

连接体（连廊）作为连接两侧塔楼的重要结构部位，其受力情况复杂，值得特别关注。

通过前文对结构整体性能的分析，选择出了较低位的连接体布置方案（方案1和方案2），但还并未确定主体结构与连接体采取刚接还是铰接。为了进一步对比分析连接体与主体结构连接方案（刚接或铰接），并考虑连接体内构件连接（斜杆刚接或铰接），下文将对连接体建立有限元模型，分析各设计方案下连接体的受力特征。连接体有限元分析中，各设计方案立面简图（单榀）如图11所示。

3.2 连接体有限元模型建立

为了精确地分析方案A～D的连接体在地震作用下的受力情况，本文采用ABAQUS有限元软件对各方案连接体部位进行有限元分析，所建立的连接体有限元模型如图12所示。整个连接体结构由Q345钢构件组成，钢材本构采用双折线模型，屈服强度为370MPa，极限强度为420MPa，伸长率为5%。建模时采用Beam和Truss单元作为模型的计算单元，通过更换支座形式（边界条件）来模拟不同的与主体结构的连接方式，以及更换斜杆杆单元类型来模拟不同的斜杆与连接体骨架的连接形式。

图11 连接体各设计方案示意Fig.11 Connection scheme of the connector structure

3.3 连接体荷载

连接体有限元模型所施加的荷载取自前文中甄选出的较低位连接体方案的计算分析结果，连接体各构件在小震下应保持弹性，结构构件的抗震承载力应符合《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）式（3.11.3-1）［4］的规定。

根据上述规范要求，通过ETABS弹性计算得到连接体边缘杆件的组合内力作为荷载施加，不考虑楼板，直接在连接体一侧端部施加约束，另一侧端部施加荷载。

图12 连接体有限元模型示意Fig.12 Finite element model

3.4 有限元计算结果分析

通过有限元分析，得到连接方案A～D下连接体受力时的Mises应力云图如图13所示，以及最大应力和挠度等结果列于表2。通过图13可以看出，方案A的最大应力要大于方案B，且方案A的应力分布比方案B更集中，同样方案C的最大应力也要大于方案D，说明在与主体的连接方式相同的前提下，内部斜杆为铰接时连接体受力更小；方案A与方案C对比，方案C的最大应力更大，方案B与方案D对比，方案D的最大应力更大，说明在内部斜杆连接方式一致的前提下，与主体结构刚接时连接体受力更小。

表2 各连接方案下连接体受力情况Tab.2 Stress and deformation of different connection scheme

由表2可以看出，方案A与方案B相比较而言，方案B的连接体骨架最大应力要高出4.03%，但斜杆最大应力下浮8.33%，方案B连接体骨架平均应力高出3.94%，但斜杆平均应力下浮14.74%，且方案A和B连接体的竖向挠度也基本相同。方案C与方案D相比较而言，方案D的斜杆内力较小，同样说明了在与主体的连接方式相同的前提下，内部斜杆为铰接时连接体受力更小。而方案A与方案C对比，方案B与方案D对比，方案A、方案B的杆件内力及挠度均要明显小于方案C和方案D，再次说明在内部斜杆连接方式一致的前提下，与主体结构刚接时连接体受力更小。

图13 各连接方案下连接体应力云图（单位：Pa）Fig.13 Mises stress of different connection scheme（unit：Pa）

图14 中统计对比了连接体中各类截面构件在方案A～方案D下有限元分析时的最大应力。从图14中可以看出，对于不同截面类型的杆件，主体与连接体刚接方案A、方案B下连接体内杆件应力水平要低于铰接方案C、方案D。同时，对于主要承重构件H700×300×16×22型钢而言，对比A、方案B两种方案，可以看出方案B的H型钢最大应力更低，效果更优。

图14 各方案下连接体内构件最大应力直方图Fig.14 Max Mises stress of different component

综合以上有限元分析结果可以看出，在不同连接体方案A～D中，方案B的连接体受力情况相对更好。

4 结论

1.从本工程整体结构地震响应上看，对连接体位置而言，中上部设置的较低位连接体方案（方案1、方案2）优于顶层设置的较高位连接体方案（方案3、方案4）；而对主体结构与连接体的连接方式而言，由于本工程中的连接体仅有一层，连接体相对于主体结构的刚度较小，协调结构整体受力变形的能力有限，因此在地震作用下连接体与主体的连接方式对结构整体响应的影响并不显著。

2.虽然连接体与主体结构间的连接方式对整体结构地震响应影响并不大，但根据连接体有限元分析结果，铰接下连接体的内力和变形结果都要大于刚接下的结果，因此连接体与主体结构间宜选择刚接方案（方案A、方案B）。

3.连接体内部斜杆与骨架间采用刚接时的内力要大于采用铰接时的内力，因此连接体斜杆与骨架间选择铰接方案（方案B）相对更好。

综上所述，本文基于实际工程，通过整体结构地震响应分析和特殊部位有限元分析的方法，针对连接体的不同布置高度、不同连接方案对超高层连体结构性能的影响进行了对比研究与分析，并比选出了最优设计方案（方案1与方案B的组合）。本文的研究方法和研究成果在相关连体高层建筑结构工程的设计中值得参考，具有一定的借鉴意义。