某弱连体高层相连格栅的做法选型和整体分析

梁战场， 潘奕康， 丘创宝， 吴增煜

（1.中国电建集团城市规划设计研究院有限公司，广州 510000；2.广州宝贤华瀚建筑工程设计有限公司，广州 510000）

0 引言

近年来，随着工程技术的进步和人们对建筑品质要求越来越高，建筑造型越来越复杂，尤其是连体建筑层出不穷，连体样式也是多种多样，根据连接体和主体结构的连接情况，连体建筑分为刚性连接、半刚性连接及柔性连接[1,2]。连体建筑丰富了建筑立面，提升了建筑品质，同时也对结构设计提出了挑战。

许多学者对连体建筑进行了诸多探索和工程实践。李霆等[3]在某混合减震连体高层项目中探讨了粘滞阻尼器和BRB支撑在连体结构中的作用；朱鸣等[4]做了弱连体结构整体模型与单体模型时程分析的对比研究，指出弱连接连廊对主楼影响较小，可以采用单塔的反应谱分析结果作为主要构件的设计依据；张良兰等[5]对某一复杂连体结构做了静力和动力弹塑性分析，验证了连体结构在大震作用下的可行性。另外，吴耀辉、张世顺等[6,7]对大底盘双塔连体及多塔连体建筑的抗震、减震性能、动力响应进行了细致分析，得到诸多有益的结论。

文中介绍了一种新型建筑连体形式。项目主体为两栋住宅楼，在较矮住宅楼顶部二者有一层连廊连接，连廊与二者连廊下两栋楼之间有格珊相连，主要介绍格栅的选型和构造做法以及相连格栅对两栋塔楼动力性能的影响情况，为类似工程提供参考。

1 工程概况

项目是某房地产投资兴建的两栋住宅楼，均为剪力墙结构体系，地下3层。1#楼地上28层、屋面高度89.25m，2#楼地上37层，屋面高度117.05m，二者底部有2层裙房，裙房在1#楼边界处设抗震缝。两个塔楼在26层有高空连廊，连廊以下、裙房以上两个塔楼又有格栅相连。连廊与1#楼侧滑动连接，与2#楼刚接（即连廊结构上归属2#楼），塔楼的效果图及格栅相连示意图，如图1、图2所示（右侧楼高较低者为1#楼）。

图1 塔楼效果图

图2 格栅相连平面示意图

工程所在地区建筑抗震设防烈度为7度、场地类别为Ⅱ类，50年一遇基本风压为W0=0.5kPa，地面粗糙度C类；工程抗震设防类别为丙类、建筑安全等级为二级。

因文中主要针对格栅的选型及格栅对整体结构的影响分析，各栋单体本身的结构布置不作重要介绍，因此不再过多叙述结构布置情况。

2 格栅的选型、构造做法及计算分析

在建筑早期方案中，两栋楼之间的竖向格栅为铝方通，支撑铝方通的主结构梁为每隔两层一道，且左右错落布置，如图1所示。前期业主考虑不想在使用过程中对此造型进行维护，且遵循建筑前期方案意图，主结构梁两侧错落布置的情况，主结构梁拟采用悬挑混凝土梁，此时1#楼（右侧较矮单体）挑梁长度约为6.3m，2#楼挑梁长度约12.0m。混凝土方案存在如下问题：

（1） 刚度不足。支撑梁悬挑过大，其面内和面外刚度不足，考虑支撑梁宽度有限，面外刚度相对更小。

（2） 施工过于麻烦。混凝土支撑梁结构需要搭设通高脚手架，不但经济性差且严重影响工期。

（3） 建筑构造不易处理。因1#、2#塔楼分别挑出支撑梁，其竖向铝方通格栅也应分属1#、2#楼，但此铝方通下方需固定在裙房顶、上方需固定在26层连廊底，裙房和连廊结构上均归属2#楼，节点需做滑动构造，铝方通较轻，若一端做滑动构造，势必在正常使用时可能产生晃动，产生安全隐患。

因以，将此支撑主梁（即格栅主梁，下同）选定为钢结构形式。

2.1 钢梁格栅构造

主支撑梁改为钢梁仍需解决刚度问题，而钢梁面内、面外刚度更小，因此建议建筑设计师将两侧主梁错落布置改为拉通布置，钢支撑梁直接连接1#和2#塔楼主体。此时新的问题出现，钢梁直接连接了1#和2#楼，概念上形成了连体，其与主结构连接节点如何处理才能将连体效应降低到可以忽略的地步。考虑到钢梁跨度18m，垂直于钢梁轴线两个方向抗弯线刚度较小，初步判断相对于两个塔楼的侧向和竖向刚度而言应是基本可以忽略；但钢梁轴向刚度很大，当两个楼沿着钢梁轴线方向运动时其拉扯力将不可忽略，实际能起到连体作用，因此钢梁节点做法需释放轴向约束，但保留垂直于轴线的两个方向的水平和转动约束。考虑裙房和连廊结构上均归属2#楼，故释放1#楼侧钢梁的轴向约束。

经计算钢支撑梁截面为300mm×550mm×14mm。其做法如图3所示。

图3 格栅梁节点大样平面图（单位：mm）

2.2 钢梁格栅对主体结构影响计算

采用YJK软件，在双塔之间建立支撑钢梁，钢梁在1#楼侧释放轴向约束，保留其他自由度约束，铝方通格栅与支撑钢梁铰接，将铝方通自重及按铝方通和钢梁按迎风面换算的风荷载输在钢梁上，进行整体计算。

首先需考察带格栅梁模型和不带格栅梁模型的整体指标差异，通过整体指标的对比可反应出释放了轴向约束格栅连接体对两个单体的影响程度，图4为有、无格栅梁2#楼第一阵型图、表1为2#楼的前3个周期对比。由图表可知有无格栅梁对2#楼前三周期的影响微乎其微，差别均不超过1%，考查1#楼前3周期及两栋楼各层剪力，其差别也均在1%以内。由此可知，释放了支撑钢梁轴向约束后，长宽比约为60的钢梁较弱的抗弯刚度基本对两栋楼无影响，两栋楼仍可按各自单体模型进行计算配筋。

图4 有无格栅梁2#楼第一阵型（为便于对比未带入连廊）

表1 2#楼不同模型下前三期周期对比

依据现有梁截面布置，考察模型计算结果，钢梁最大应力比仅0.35，尚有足够的安全富裕。同时，注意到此钢梁处于室外且以后检修维护复杂，也对其反腐措施提出了较高要求。图5为现场实景图。

图5 方案修改后格栅施工实景

2.3 格栅主梁刚度控制分析

两栋楼之间相连格栅虽在高空，视觉距离较远，但对其竖向荷载及风荷载下的刚度和变形也应加以控制，以避免产生较大位移，引起视觉上的不舒服。

竖向铝方通格栅属于幕墙系统（幕墙设计人员根据行业经验选择铝方通截面），水平格栅主梁为其支撑，属于结构系统。

由于格栅为镂空状态，对格栅在时程风荷载下的计算殊为困难，同时参照现行“荷载规范”，对于围护结构，由于刚性较大，在结构中不必考虑其共振分量，可通过阵风系数近似考虑脉动风瞬间的增大因素[11]。故本节以静力等效风荷载下结构的变形来近似预估结构刚度。计算发现，格栅主梁前两阶的振动频率为横向 f1横=6.1Hz，竖向 f1竖=6.8Hz，此种结构为典型的自重轻、频率高的轻型结构，振动设计应该更多关注在静荷载作用下其刚度是否满足要求[12]。根据竖向铝方通格栅和水平格栅主梁的迎风面积，将风荷载等效换算为作用在格栅主梁上的线荷载，计算可知，在竖向荷载及换算风荷载作用下，格栅主梁的竖向和水平最大位移分别为6.37、13.01mm，挠度值分别为跨度的1/2800和1/1380，远小于规范限值，从侧面反映，格栅主梁的刚度是足够的，其振动幅度也是可控的。

3 结语

文中主要针对两栋楼之间的格栅连接体做了初步探讨，包括格栅的选型、各种选型存在的设计和施工方面的问题、连接体对塔楼整体指标的影响等，并得出如下结论：

（1） 格栅连接体的主支撑梁做钢结构是最为合适的，并且需释放其一侧的轴向约束。

（2） 释放了轴向约束，长宽比约为60的钢梁较弱的抗弯刚度基本对两栋楼无影响，两栋楼仍可按各自单体模型进行计算配筋。

（3） 参照竖向荷载作用下规范对钢梁挠度的规定，长宽比约为60的格栅主梁在本地区风荷载作用下横向位移原小于规范限值，其振动幅度是可控的。