不等高双塔楼连体结构设计

吴 强, 戎子涵, 金振奋

(浙江大学建筑设计研究院有限公司，杭州 310028)

1 工程概况

项目位于浙江省舟山市东港新区,为一栋有特色的连体住宅楼,A、B两座塔楼在12～18层由连接体连接,其中A塔地上18层,层高3.0m;B塔地上25层,层高3.0m。两塔楼平面基本对称,主屋面高度分别为55.50m和76.50m,两单塔建筑高度相差较大,图1、2为建筑效果图和结构剖面图。该项目地上总建筑面积为18 600.3m2。地下1层,扩大地下室埋深-6.20m,主要功能为车库。

图1 建筑效果图

图2 结构剖面图

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)［1］的要求,本工程主要设计参数如下:结构设计使用年限为50年,丙类建筑;抗震设防烈度为7度(0.10g),地震分组为第一组,场地类别为Ⅳ类;50年一遇基本风压为0.85kPa,风荷载体型系数取1.40,地面粗糙类别为A类。

2 结构体系及结构布置

结合建筑功能两塔楼均采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构。连体部分功能为住宅,利用连体底部设备层设置转换钢桁架,上部采用钢框架。连体部分长度为13.30m,宽度为13.07m。结构体系构成见图3,连体层典型结构平面布置如图4所示。

图4 连体层典型结构平面布置图

为减小连体结构构件对住宅功能的影响,利用12层设备层设置三榀钢结构连体转换桁架(图5)。桁架上下弦截面均为H600×350×30×36,竖腹杆截面为H400×350×24×30,斜腹杆截面为H500×350×24×30,钢材为Q355B级。连体13～18层为钢框架结构,钢柱及钢梁截面均为H形。与连体相连的塔楼边框柱为关键传力构件,采用型钢混凝土柱。结合塔楼高度、连体层数、抗侧力构件布置等条件,连体具备与塔楼刚性连接的条件,也能够降低结构的复杂程度,简化支座节点构造［2］。

图5 连体转换桁架结构模型

3 结构超限情况

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质〔2010〕109号)［3］规定,本工程存在以下超限项:1)扭转不规则与偏心布置;2)刚度突变及尺寸突变:连体桁架所在层与相邻下一层发生刚度突变;18层以上体型收进位置高于结构高度20%且收进大于25%;3)设置连体导致构件间断;4)承载力突变:连体桁架与相邻下一层发生抗剪承载力突变。合计共4项一般不规则项。

4 抗震性能目标及针对超限的措施

结合超限程度及性能化抗震设计的概念,本工程抗震性能目标拟选用C级。在小震、中震、大震烈度水准下构件性能水准分别达到1、3、4级［4］。小震作用下各构件需满足弹性性能目标,在中震和大震水准下各构件性能设计目标如表1所示。关键构件在中震下需满足正截面不屈服、斜截面弹性,在大震下需满足正截面、斜截面不屈服。大震作用下关键构件承载力验算采用《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)［5］(简称《高规》)中式(3.11.3-2),即截面强度标准值采用材料强度标准值计算,作用效应采用不考虑与抗震等级有关的调整系数的标准组合。

表1 中震、大震作用下性能设计目标

为了实现既定性能目标,根据相关规范［1,5］对超限内容采取以下主要加强措施:1)连体桁架相邻下一层为薄弱层和软弱层,通过调整12层及以下的剪力墙布置,减小本层刚度与上一层刚度的差距,计算时将该层地震力放大1.25倍;2)加强连体桁架层及连体顶层的楼板厚度及配筋,计算时需考虑楼板平面内变形;3)根据选定的性能目标,补充连体桁架上下弦楼板应力分析,对板厚及配筋进行加强,楼板按构造设置水平交叉支撑;4)严格控制连体桁架杆件的应力比和相连型钢柱的轴压比,提高构件延性。

5 结构计算分析要点

5.1 单塔结构分析

单塔分析主要考察无连接体作用时,单塔结构是否具有足够的抗侧刚度和抗扭刚度,是否能保证极端情况下结构的安全,提高整体结构的冗余度［6］。

连体结构不仅承受13～18层框架的竖向荷载,还要协调两塔楼的水平变形,有必要采取措施减小两塔楼的变形差异,提高结构的抗震性能。主要设计思路是优化单塔结构布置,协调单塔结构侧移刚度和动力特性。

第一步建立单塔模型,因两塔楼高度差异较大,B塔楼通过增加剪力墙长度及厚度、加高连梁等方法加强结构刚度。A塔楼在适当位置布置框架柱代替剪力墙、适当减小墙肢长度,根据位移指标计算结果匹配两塔楼的侧向刚度。第二步对带连体结构整体模型进行分析,分析整体模型层间位移、扭转位移比,对扭转变形大的楼层进行加强。分析结果表明,B塔楼远离连体的剪力墙受到连体的约束较弱,扭转位移偏大,通过加强该侧剪力墙进一步优化了单塔模型。

图6为单塔模型在小震和风荷载作用下的层间位移角曲线。由图6可以看出,各楼层层间位移角均小于规范限值1/1 000;X向地震作用下两塔楼层间位移角在中部楼层12层附近达到一致,Y向地震作用下在18层附近达到一致,两塔楼水平变形差异较小,达到了减小连体桁架内力的目的;风荷载作用下,两塔楼X、Y向层间位移角基本一致,说明两塔楼刚度匹配,可减小变形差对连体结构的不利影响［7］。

图6 单塔层间位移角曲线

5.2 连体对结构动力特性的影响

非对称双塔连体结构的动力特性比一般的单塔结构复杂得多,可能导致结构的扭转反应加剧［8-9］,分析单塔和整体模型的周期比和振型特征,有利于了解连接体对单塔结构动力特性的影响。表2为单塔模型和有连体的整体模型动力分析结果,图7为整体模型前三阶振型。

表2 单塔和整体结构模型动力特性

图7 整体模型前三阶振型

由表2可以看出,单塔和整体模型前两阶振型均为平动,且A塔楼周期略小于B塔楼周期,说明A塔楼刚度较B塔楼刚度大;整体模型平动周期介于A塔和B塔楼之间,平动振型既有较大刚度的A塔楼成分,也有较小刚度的B塔楼成分。分析第3振型(表2、图7)可以发现,整体模型表现为双塔结构的整体扭转,扭转周期小于整体平动周期,但是大于单塔模型的扭转周期。由于连体跨越多个楼层,刚度较大,连体的存在限制了单塔沿Y向的自由平动,单塔楼Y向自由振动周期的不一致性,最终表现为连体模型的整体扭转。相较于单塔模型,整体模型扭转周期增大,扭转周期比也增大,说明两塔楼体型不对称,设置连体使得整体模型扭转振型提前出现,对抗震不利。应严格控制扭转位移比及周期比,同时对连体以及与连体结构相连的塔楼结构构件采取加强措施,以保证结构的可靠性。

5.3 连体楼板刚度对结构的影响分析

连体楼板不仅承担竖向荷载,同时负责两塔楼间水平荷载的传递。连体楼板面内刚度大,随着水平荷载的加大,楼板裂缝逐步开展,楼板刚度降低,连体相关部分发生内力重分布。

分析时连体层楼板采用平面板单元进行模拟,其他层采用膜单元模拟。为便于分析,对连体桁架楼板按100%、75%、50%和25%的比例系数进行刚度折减,考察不同楼板刚度对结构的影响。

不同楼板刚度取值下,结构前五阶周期如表3所示。由表3可以看出,连体楼板刚度对结构周期影响很小,随着楼板开裂和刚度退化,结构整体刚度下降较小,周期略有变长。连体楼板刚度对结构整体刚度影响不大,这是由于连体跨度不大,桁架跨高比小,刚度较大。

表3 结构周期统计

不同楼板刚度取值下,地震水平力单工况下连体桁架杆件的轴力变化如图8所示。桁架上、下弦杆轴力随着楼板刚度的退化迅速增大,与楼板刚度不折减的模型相比,刚度折减50%时,地震水平力单工况下弦杆轴力约增大30%～50%。桁架腹杆轴力增大幅度非常小,不超过3%,此处未列出。以上结果表明,楼板刚度退化对连体桁架各杆件内力影响不一,性能化分析时应考虑楼板刚度的影响。

图8 连体桁架上、下弦杆轴力

5.4 连体桁架分析

5.4.1 考虑楼板刚度退化的连体桁架承载力复核

中震下,考虑楼板刚度退化,楼板刚度比例系数取50%,桁架需满足中震下正截面不屈服、抗剪弹性的性能要求。计算结果表明,中震下桁架各杆件应力比较小震下有所增大,弦杆最大应力比为0.75,腹杆最大应力比为0.67,中震下桁架承载力满足预期的性能要求。

5.4.2 连体桁架竖向刚度及舒适度复核

桁架跨中截面在1.0恒载+1.0活载作用下的弹性挠度最大值为4.97mm,约为跨度的1/2 676,远小于规范不大于限值1/300的要求。

楼盖结构应具有适宜的舒适度,图9为连体桁架上弦层楼板第1阶竖向振型,自振频率为14.60Hz,远大于规范不小于限值3.0Hz的要求。

图9 连体桁架上弦层楼板第一阶竖向振型

5.4.3 连体桁架楼板性能化设计

在地震或风荷载水平力作用时,连体上下弦楼板及与连体相连的塔楼结构构件受力复杂。为保证连体部分可靠传力,将连体上、下弦层楼板加厚至150mm。图10为中震单工况作用下连体桁架上、下弦楼板拉应力云图。由图10可以看出,楼板最大拉应力出现在桁架下弦支座处,考虑重力荷载代表值和地震作用标准组合计算内力,按偏心受拉构件计算楼板钢筋,采用12@100双层双向配筋,满足中震不屈服的性能要求。

图10 连体桁架上、下弦楼板拉应力云图/MPa

5.5 整体模型弹性分析结果

通过MIDAS Building和YJK软件分别建立模型,表4为风荷载和小震作用下整体模型的主要计算结果。通过对比表4中基底剪力发现,X向地震工况起控制作用,Y向基底剪力风荷载工况起控制作用。连体结构主要协调整体结构X向变形,X向地震又为控制工况,这也进一步表明了加强连体桁架性能设计的必要性。结构扭转位移比最大值为1.39,层间位移角接近《高规》［5］第3.4.5条限值1.40,表明结构布置合理,各项指标满足规范要求的同时,宏观指标较为经济。

表4 风荷载、小震作用下整体模型主要计算结果

5.6 动力弹塑性分析

采用PKPM-SAUSAGE软件对整体结构进行显式积分的弹塑性时程分析。考虑重力二阶效应及大变形效应,计算得出整体结构最大弹塑性层间位移角X向为1/205、Y向为1/186,均满足限值1/120的要求,满足“大震不倒”的设防目标。

有递减规律的三种情况：一是区块产量有明显规律，直接拟合递减率；二是区块产量没有明显递减规律，但平均单井产量有明显递减规律的取平均单井产量递减率；三是与开发历史背景及开发方式结合，分阶段、分构成、分开发方式拟合递减规律。

除底部加强区连梁和墙肢出现损伤外,刚接连接的连体会引起连体相连楼层结构损伤加重,研究大震作用下结构的弹塑性发展规律是有必要的［10］。剪力墙、楼板、连体桁架性能水平如图11～13所示。分析图11～13可以看出:1)剪力墙的损伤主要集中在连体以下楼层以及与连体桁架相连的墙肢,整体呈现轻微～轻度损伤;较严重的受压损伤主要集中在连梁上,连梁充当了耗能构件,有效保护了剪力墙墙肢。2)连体桁架基本处于无损伤状态,具有良好的抗震性能。3)桁架下弦所在楼层楼板损伤范围大,塔楼与连体相连处楼板以及18层以上立面收进层出现轻微～轻度损坏。4)楼面梁为轻微～中度损坏。大震弹塑性时程分析结果表明,结构耗能机制合理,抗震性能良好,满足抗震性能目标要求。

图11 剪力墙性能水平

图12 全楼楼板性能水平

图13 连体桁架性能水平

5.7 施工模拟分析

根据项目工程特点并结合以往工程资料,本工程施工方案如下:

第一阶段:土建工程自下而上逐层施工至封顶,双塔同标高楼层同步施工;第二阶段:连体桁架吊装,施工桁架层楼面次梁及楼板;第三阶段:逐层施工连体桁架以上各层楼面钢梁及楼板;第四阶段:砌筑荷载和装修荷载同步施加。

本项目施工模拟采用MIDAS Gen软件进行精细化分析,考虑实际荷载加载次序,结构自重和附加恒载分开施加,施工过程模拟如图14所示。

图14 施工过程模拟

随着施工阶段的推进,荷载自重、施工活载、附加恒载逐步加载,施工至第四阶段时桁架内力和变形最大,桁架下弦跨中最大竖向位移为8.40mm,满足《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)要求。图15为第四阶段连体桁架内力最大的杆件弯矩及轴力图,此时连体桁架支座斜腹杆受力最大,最大应力为120.3MPa。由于楼板面内刚度的贡献,上、下弦杆应力较低,最大为75.8MPa。连体桁架相邻上层主钢梁与主体型钢柱连接处应力最大达到71.8MPa,小于桁架弦杆应力水平,而且楼层越高,钢梁应力越小,说明连体钢框架与桁架整体受力,有利于提高结构整体刚度。

图15 第四阶段连体桁架内力

5.8 防连续倒塌设计

根据《高规》第3.12.3条,采用拆除构件法进行防连续倒塌设计,选取关键构件连体桁架应力最大的支座斜腹杆作为拆除杆件,被拆除杆件截面为H500×350×24×30,具体位置见图16。

采用MIDAS Gen软件对剩余结构进行内力分析,读取单工况内力后,按规范公式验算剩余结构的承载力。承载力验算时,按《高规》要求考虑效应折减系数及竖向荷载动力放大系数。计算结果表明,拆除桁架斜腹杆后,剩余桁架下弦杆、上弦杆、腹杆最大应力比分别为0.74、0.93、0.76。钢构件应力比均未超过1.0,说明支座斜腹杆拆除后结构内力发生重分布,结构具有良好的防连续倒塌性能。

5.9 连体桁架关键节点分析与设计

桁架节点需满足中震弹性、大震不屈服,其中大震不屈服起控制作用。选取受力较大的支座节点一、上弦节点二进行材料非线性分析,分析时均以大震等效弹性内力计算结果进行节点荷载的施加。边界条件的施加方法:下弦支座节点一约束竖向型钢柱钢骨的上下端截面线位移,并释放上端截面的竖向线位移,保证型钢柱竖向可以自由变形,同时约束左侧型钢梁钢骨端截面的水平位移;上弦支座节点二选取应力比很小的3个节点约束线位移,3个节点不共线。不考虑钢筋混凝土部分的有利作用,采用MIDAS Gen建立有限元模型,得到应力分析结果如图17、18所示。由图17、18可以看出,节点一、二平均应力水平较低,最大应力310.134、309.189MPa均小于钢材屈服强度335MPa,满足节点大震不屈服的性能目标。

图17 下弦支座节点一应力云图/MPa

图18 上弦支座节点二应力云图/MPa

桁架支座节点钢筋连接构造,采用梁柱钢筋尽可能多地绕过钢骨,节点核心区箍筋采用箍板替代箍筋的形式,具体构造如图19所示。

图19 桁架支座节点钢筋连接构造

6 结论

(1)本工程为两栋不等高塔楼构成的连体结构,具有扭转不规则、偏心布置、刚度突变、尺寸突变共4项不规则项,针对超限情况采取相应加强措施后,结构各项指标均满足规范要求。

(2)无连接体作用时,单塔结构具有足够的抗侧刚度和扭转刚度,满足极端情况下结构的安全性。

(3)考虑楼板刚度退化,连体桁架具有足够的承载力储备。大震作用下,连体桁架无损伤,基本处于弹性工作状态。

(4)采用拆除构件法进行结构防连续倒塌分析,剩余结构满足承载力验算要求,结构具有良好的防连续倒塌能力。

(5)对连体桁架关键节点进行精细化分析,优化节点构造,实现了“强节点弱构件”。