强连接假定的楼板大开洞连体结构设计

张沈斌, 金振奋, 朱浩川

(浙江大学建筑设计研究院有限公司，杭州 310028)

0 引言

高层连体结构的连接体连接形式按其约束类型可分为强连接、弱连接等。强连接指连接体结构被塔楼完全约束,连接体充分协调塔楼的振动［1］。当连接体结构自身较为薄弱时,常释放其约束端部,使其与塔楼形成弱连接。本文通过某一工程实例,讨论了楼板较为薄弱的连接体实现强连接的构造和设计方法。

1 工程概况

绍兴滨海科技城核心区二期项目5#、6#楼为两个单塔组成的连体结构(图1),其中5#楼科研用房(智能制造)主体结构8层,屋面标高38.050m,面积14 425m2;6#楼通用科研用房主体结构10层,屋面标高47.350m。地下设1层地下室,主要功能为地下车库。

图1 建筑效果图

结构设计使用年限50年,结构安全等级二级,抗震设防类别为标准设防类(丙类)［2］;根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)［3］(简称抗规),抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅲ类,特征周期为0.45s。根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)［4］(简称荷载规范),主楼风荷载标准值基本风压(考虑50年一遇)为0.45kN/m2,地面粗糙度B类。

如图2所示,基于本工程实际情况,中庭区域对采光有较高要求,且建筑专业对立面要求严格、幕墙立面无法设置结构缝。建筑中庭有较高的采光要求且幕墙立面不允许设缝。本工程的结构设计难点在于采用楼板大开洞的薄弱连接体充分协调两个不同高度单塔的振动,实现两单塔的强连接。为保证连接体部位不被破坏,通过调节两单塔抗侧力构件布置,使不同高度的两单塔周期与刚度基本接近;同时加强连接体及与连接体相连的框架的各项构造措施,使结构能达到既定的抗震设防目标。

图2 建筑总图

2 基础设计

本工程设1层地下室,整体采用底板与独立承台桩基础的基础形式［5］。依据勘察报告,土层自上而下为杂填土、黏质粉土、粉质黏土、粉砂、中砂及砾砂等。主楼部分荷载大、变形要求高,选用直径800mm的钻孔灌注桩,持力层为⑧3砾砂层;纯地下室部分采用预制方桩,持力层为⑥2粉砂。桩位平面布置如图3所示。

图3 主楼范围桩位平面布置图

本工程底板厚度为400mm,基础沉降图如图4所示。因对不同单塔和地下室不同荷载采用不同的桩型,基础整体沉降较为均匀,主体部分沉降稍大,地下室沉降小。主楼最大计算沉降量为25mm,主楼最外围沉降量为18mm,相邻竖向构件间的沉降差小于跨度的0.20%,满足《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)［6］整体倾斜比不大于0.002,最大沉降不大于200mm的要求。

图4 基础沉降/mm

3 整体结构设计

3.1 结构布置

结构两单塔采用矩形平面,标准层平面尺寸相同,均为56.6m×27.8m;底部裙房平面长度最大162.87m,宽度34.10m,长宽比4.78,小于规范限值6;两单塔在7～9层楼面位置相连,连体楼层平面尺寸为132.2m×27.8m,长宽比4.75,满足规范要求。

两单塔均按内部混凝土核心筒剪力墙、外侧框架的形式布置,在结构受力合理的基础上最大程度兼顾了建筑使用功能,如图5所示。两单塔由大跨度钢梁连接。结构主要屋面高度为47.350m,按框架-剪力墙结构要求进行设计,根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)［7］(简称高规)第3.3.1条规定,属于A级高度(130m)的高层建筑。剪力墙抗震等级三级,框架抗震等级四级,连体及连体周边等加强部位抗震等级三级。

图5 结构抗侧力体系组成

结构剪力墙布置如图6所示,两个单塔的竖向剪力墙构件主要布置在内部交通核的筒体墙上,剪力墙厚度400～250mm,自下而上逐步收进减薄。

图6 剪力墙布置图

本工程连接体采用强连接,整体结构超长,整体上加强了X向剪力墙的布置,减小连接体的轴向内力;同时加强了整体结构端部(5#楼左侧及6#楼右侧)剪力墙的布置,增强整体结构的抗扭刚度。对于本工程连接体两侧单塔不等高的特点,对建筑高度较高的6#楼核心筒剪力墙墙肢的长度和厚度进行加强,使两单塔的动力特性接近。

本工程单塔框架柱沿建筑平面周边均匀布置,主要柱跨8.4m,柱截面尺寸800×800～600×600,并与内部剪力墙通过框架梁相连。与连接体直接相连的框架柱通高采用型钢混凝土柱(内含H形钢骨)。主楼水平构件由现浇钢筋混凝土梁及预制叠合楼板组成,如图7所示。单塔主楼周边布置跨度8.4m的框架梁,主要截面400×750,连接外围框架柱;连接外围框架柱与剪力墙之间的框架梁,主要跨度为8.4m,主要截面为300×(600～700)。内部筒体间剪力墙间距较大,墙体沿长度方向的连梁跨度较大,按框架梁设计。

图7 典型楼层结构平面布置图

本工程两单塔在7～9层楼面处连接,考虑施工便利性,连接体结构采用钢梁与现浇钢筋桁架楼承板。连体跨度25.2m,与主体结构采用强连接,型钢伸入主体结构一跨并可靠连接。连体楼板加厚到150mm以上,并加强配筋;同时在楼板底部设置由圆钢管组成的水平支撑,作为大震下楼板损伤后的刚度储备。

3.2 超限情况判断

本工程高度不超限,扭转不规则(部分楼层考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2),楼板不连续(2层通高大堂、裙房中部楼梯、7～9层连体部位楼板有效宽度小于50%),尺寸突变(多塔、9层竖向构件缩进50%),构件间断(连体、2层局部吊挂柱)。有4项一般不规则项,属于超限高层建筑工程,已经通过超限高层建筑工程抗震设防专项审查。

抗震设计在满足相关规范的同时,根据性能化抗震设计的概念,综合考虑超限程度(4项一般不规则)、抗震设防类别为丙类、设防烈度为6度、结构体系成熟、基础埋深较大等因素,主楼性能目标选用D+级(在D级基础上将中震下抗震性能水准提高到3)。

3.3 抗震专项分析

抗震专项分析信息见表1。经计算对比,YJK、MIDAS Building两个计算软件计算结果相近且均满足规范要求,说明模型合理,计算结果有效,符合实际工程状况,可作为工程设计的依据。选取7组地震波进行弹性时程分析,其中5组为天然波、2组为人工波。经计算,局部两层弹性时程分析的地震剪力平均值相比反应谱计算结果略大,设计时根据弹性时程分析结果对相应楼层的反应谱地震剪力考虑放大系数。

表1 抗震专项分析信息

对于罕遇地震,采用PKPM-SAUSAGE软件进行弹塑性动力时程分析,复核结构弹塑性层间位移,判断结构的薄弱部位并提出相应加强措施。计算结果表明,主要抗侧力构件没有发生严重破坏,多数连梁屈服耗能,部分框架梁参与了塑性耗能。连体大跨处框架梁、柱按关键构件控制,整体为轻度损伤,局部构件为中度损伤。针对分析结果,增大与连接体直接连接的框架柱的截面,并进行专项节点分析。

3.4 主要抗震加强措施

本工程采用框架-剪力墙结构,其抗侧力体系由核心筒剪力墙、外围框架两部分组成,可提供多道抗震防线,第一道防线是核心筒剪力墙,第二道防线是外围框架。采取以下措施［8-11］保障两道防线具有足够的安全储备。

(1)连接体与主体结构采用强连接,型钢伸入主体结构一跨并可靠连接。连体楼板加厚到150mm以上,并加强配筋。

(2)提高连接体及与其相连的结构构件抗震等级,与连接体相连的框架柱通高采用型钢钢骨柱,严控轴压比,在连接体高度范围及其上、下层全柱采用箍筋加密。

(3)连体部分楼板开大洞,连体处框架梁采用纯钢梁减轻自重,3层连体楼板均加厚并加强配筋,采用全现浇形式加强整体性,并加入水平圆管支撑作为安全储备。采用整楼、连体部分无楼板、分塔等模型分别计算,并进行包络设计。

(4)6#单塔较5#单塔高两层,通过调整剪力墙及框架梁设置,使两单塔的周期及刚度接近。将连体顶部的竖向构件收进楼层,即5#单塔屋面整层楼板加厚至160mm并加强配筋,同时提高该层上、下各2层周边框架柱的抗震等级至三级。

(5)结构在裙房楼层与连体楼层X向长度较大,增强整体结构端部的竖向结构布置以保证结构整体的抗扭性能;并补充全楼温度作用分析,结构构件按温度作用包络配筋。

(6)底部裙房以上为多塔结构,设置裙房2层为底部加强区,裙房屋面以上设置1层过渡层,过渡层的边缘构件按底部加强区设置。裙房屋面层楼板加厚至150mm,并加强配筋。

(7)减小结构的扭转影响,控制整体结构位移比不大于1.40。对于局部扭转不规则的楼层,严控扭转较大的一侧框架柱的轴压比和剪压比,纵筋及箍筋也相应加强。

(8)对楼板局部不连续,采用符合楼板平面内实际刚度的计算模型,并对周边加强配筋。对楼板大开洞造成的局部穿层柱,在计算分析的基础上给予适当加强,配筋不小于相邻不跃层框架柱。

4 单塔性能分析

刚性连接的连接体在地震作用下需要协调两侧塔楼的变形,本工程连接体楼板大开洞较为薄弱,宜分别对两侧单塔进行分析。在去除连体结构的整体模型重新进行分塔后,对5#、6#单塔模型进行计算,按各单塔分别统计指标,计算模型如图8所示。

图8 分塔结构模型

计算结果表明,5#、6#两单塔各项主要指标均满足相关规范要求,如表2所示。说明即使在连体失效后,两单塔仍能独立承担地震作用不至于发生严重破坏。

表2 5#、6#单塔主要指标对比

对比两单塔的主要振型,见图9,两单塔动力特性相似,第1阶周期均为Y向平动,第2阶周期均为X向平动,第3阶周期为扭转。因6#单塔比5#单塔建筑高度高,通过增强6#单塔的剪力墙布置,使两单塔自振周期接近,以及各工况下的水平位移趋近于一致。因考虑整体模型的抗扭刚度需求,两单塔均增强了远离连体的端部刚度,使单塔模型靠近连体端变形偏大,但仍满足扭转位移比要求(≤1.5)。

图9 单塔振型对比

5 连体部分设计

5.1 整体强度分析

连体处采用纯钢梁与现浇钢筋桁架楼承板体系,内部楼板开大洞。除加强板厚与配筋外,加入水平圆管作为安全储备。在不同地震水准下,对连体部分进行了针对性的补充分析。

在多遇地震下,连体部分按水平、竖向地震各工况包络设计。

在设防地震下,保守地对连体层楼板进行刚度削弱:厚度按原楼板50%建立模型,其余50%厚度楼板按恒载输入,并采用弹性板模型进行计算。计算结果表明,中震下若楼板产生一定损伤后,水平支撑会进入工作状态以弥补楼板刚度。连体框架梁仍处于弹性状态,框架柱配筋略有增大,设计中增强配筋,使其满足中震弹性的要求。

在罕遇地震下,为验证本工程水平支撑的安全储备功能,保守地将连体层楼板人为修改为0厚板,以模拟大震下楼板全部损坏的工况。计算结果表明,大震下在楼板缺失的情况下,水平钢支撑应力比小于1,能够保证结构水平传力,满足大震不屈服的要求。

5.2 节点应力分析

本工程采用MIDAS Gen有限元软件对连体部分节点进行弹性有限元分析,通过在结构整体模型中建立精细节点单元模型的方式(图10),可更直接地分析在各工况下单塔和连接体连接节点的受力情况。整体模型采用梁单元模拟结构梁柱,壳单元模拟结构墙体。对于需要精细分析的节点部位,采用考虑平面外刚度的板单元模拟钢梁和混凝土内型钢,采用实体单元模拟构件混凝土。将精细节点模型端部截面的节点与周边框架的梁单元端部节点通过节点约束的方式连接。

图10 节点计算模型

根据计算结果,因建筑高度不高,但连体处跨度较大,其主要受力特点接近于竖向荷载主导的模式。如图11所示,在地震与重力荷载组合下,型钢钢板最大应力出现在连体纯钢梁与型钢混凝土交界处顶部,最大应力88MPa,处于弹性工作状态。混凝土单元最大应力也出现在型钢混凝土柱与钢梁的交界部位,设计时增强此处型钢柱的混凝土强度等级至C50,并加强该部位的抗剪栓钉及箍筋的构造。

5.3 连体舒适度分析

本工程连体处采用大跨度钢梁,为保证其在使用时具有适宜的舒适度,对其进行舒适度分析。用YJK软件,采用WYD-Ritz法,通过有限元计算分析楼板自振频率(图12),计算结果表明,本工程楼板自振频率最低处位于连体楼板中部,最小频率为4.26Hz,全楼楼板竖向振动自振频率均大于3Hz,满足规范要求。

图12 连体楼板第1阶自振模态

连接体区域楼盖采用钢-混凝土组合楼盖,根据高规附录A,参照办公取值,楼盖结构阻尼比取为0.02,人员行走作用力取0.6kN。

根据连体的自振频率计算结果,利用YJK有限元软件,对楼盖施加一条经过第1阶自振模态位移最大点的行走激励荷载轨迹线,模拟最不利状态下楼盖的加速度响应,并记录最不利点的加速度时程曲线。如图13所示,在人行荷载下连体部分的楼板竖向加速度最大值为0.024m/s2,竖向加速度峰值满足规范限值0.15m/s2。

图13 人行荷载下楼板加速度时程曲线

6 楼板应力分析

6.1 地震作用下楼板应力分析

考虑到本工程裙房楼板大开洞、标准层筒体内楼板大开洞、连体部位大开洞;并且裙房屋面顶部多塔、7～9层楼面连体等楼板受力复杂,按小震作用复核上述楼层楼板的应力,以保证水平力的有效传递,采用YJK软件进行整体结构在小震作用下的楼板应力分析,相应楼层全层定义为弹性膜。由图14可知,以9层楼板(连体顶层)为例,楼板单元平均应力小于混凝土抗拉强度设计值1.43N/mm2,考虑楼板构造措施加强,在正常使用状态下,楼板满足小震下弹性设计要求。

图14 小震作用下9层楼板应力/MPa

按中震作用复核上述楼层楼板的应力,以保证水平力的有效传递。本工程7～9层连体处楼板单元平均应力约为0.8N/mm2,小于混凝土抗拉强度设计值ftk=2.01N/mm2,考虑板厚加强,拟配置10@150双层双向钢筋,楼板最大拉力作用下钢筋不屈服,满足中震下钢筋不屈服要求。

6.2 温度作用下楼板应力分析

本工程在底部2层裙房位置最大长度为162.87m,在7～9层楼面位置连体部位,连体总长达132.2m,结构长度较长,需进行温度作用分析。

设计要求施工后浇带闭合温度为15～25℃,根据当地年平均气温情况,本工程分别采用升温20℃与降温20℃工况进行计算。用YJK软件,对全楼施加节点温度荷载,分析温度作用影响。本工程为混凝土结构,考虑混凝土的徐变应力松弛特性,将上述弹性计算的温差内力乘以徐变应力松弛系数0.3。

如图15所示,在温度应力作用下楼板应力总体呈现结构中部应力大、两边小的整体趋势。2层中部区域楼板在X向最大平均应力约为0.45N/mm2,局部楼板大开洞周边最大平均应力约0.70N/mm2,按温度作用产生的附加应力在板内配置附加钢筋。连体部位的三层楼板,在全楼温差作用下因受到水平约束较小,在温度荷载下产生的附加应力小于0.02N/mm2,考虑到连体层楼板配筋构造加强,连体层楼板能满足温度作用下的承载力要求。

图15 温度作用下X向楼板应力/MPa

7 结语

(1)本工程为两栋不等高单塔组成的强连接连体结构,两单塔均采用框架-剪力墙结构体系,连体部分采用纯钢梁与现浇钢筋桁架楼承板,存在扭转不规则、楼板不连续、多塔、连体等4项一般不规则项。

(2)针对本工程超限特点,结构设计通过设置多道防线,力求结构平面及竖向布置规则,并采用加强关键构件等措施提高结构整体抗震性能。此外因连体部分较为薄弱,分别对不等高的两单塔单独分析、调整单塔结构布置,确保两单塔动力特性接近、能独立承担地震作用。计算结果表明采取的措施可以满足设计性能目标。

(3)对于有效宽度较小的连体部分结构。采用加强楼板厚度、提高楼板配筋率并增设水平钢支撑等方式提高楼板安全储备。通过不同水准地震下对连体部分的计算分析、专项节点分析、舒适度分析以及楼板应力分析等补充计算,确保大开洞的连体能够满足强连接要求。