本文轉載自-建築結構《蘇州東方之門剛性連體超高層結構設計》，作者-嚴敏， 李立樹， 芮明倬，汪大綏， 黃健，洪小永

［摘要］ 蘇州東方之門為雙塔、連體和帶加強層及轉換層的非對稱複雜高層建築結構。分析了主體結構受力體系和特點，着重介紹了連接體結構的計算分析，提出了針對考慮樓闆厚度、控制雙塔沉降差異、防連續性倒塌、考慮施工模拟等因素影響的設計加強措施，如加強單塔剛度和強度、連體剛度形成前的施工順序的合理建議等。

［關鍵詞］ 複雜高層; 連體結構; 連體設計

連體結構是複雜高層建築中較為典型的類型，通常意義上的連體結構分為弱連接結構和強連接結構，強連接結構大多通過連接體将兩棟或多棟塔樓進行剛性連接。已建成的連體結構中由兩個非對稱單塔進行剛性連接的超高層建築并不多見，其連接體部分的設計和分析尤為重要。本文将結合作者的工程設計實踐，介紹非對稱剛性連體超高層建築———蘇州“東方之門”結構工程的設計體會。

“東方之門”( 圖1) 位于蘇州工業園區CBD 軸線的東端，項目總基地面積約2. 4 萬m2 ，總建築面積約45 萬m2 ，其中地上建築面積33. 7 萬m2。工程是由兩棟超高層建築組成的雙塔連體建築，分南、北塔樓和南、北裙房等主要結構單元，塔樓總高度為281. 1m，裙房總高度約50m，塔樓和裙房之間設防震縫。南北兩棟塔樓地上分别為66 層和60 層，其建築層高、平面布置和使用荷載都不相同，使兩塔樓的結構剛度、結構重量也存在着明顯差異。雙塔在頂部230m 高空相連，頂部高度約52m 的連體部分為9 層商用住宅，最頂部是層高達16. 6m 的總統套房。

2. 1 風荷載及地震作用取值

基本風壓取值: 控制整體結構的抗側力剛度時，按50 年重現期采用，基本風壓為0. 50kN /m2 ; 控制結構強度時，按100 年重現期采用，基本風壓為0. 55 kN /m2 ( 與地震作用組合) ，風壓高度變化系數根據地面粗糙度類别B 類取值。抗震設防烈度6 度，場地土類别Ⅲ類，設計地震分組第一組，場地特征周期0. 45s。小震作用影響系數最大值按安評報告采用，50 年超越概率63% 的水平地震影響系數最大值αmax = 0. 062 ( 阻尼比為5% ) 。中震計算和大震複核時的地震參數采用《建築抗震設計規範》( GB 50011—2001) 相應的地震動參數進行設計。

2. 2 基礎及地下部分

“東方之門”工程地下5 層，整個基坑深度超過20m，在南北塔樓的地下室中間有地鐵車站通過，地鐵車站與本項目地下室結構分開。塔樓樁基礎采用樁底後注漿工藝的鑽孔灌注樁，基礎采用大底闆 均勻布置的群樁方式，樁距約3. 0m。

2. 3 上部結構受力體系

塔樓部分結構設計采用鋼筋混凝土核心筒-組合結構柱、鋼柱和鋼梁的混合結構受力體系，結合建築避難層，沿高度方向設置了4 個結構加強層，加強層處的混凝土核心筒四個角部與外圍框架之間通過8 榀伸臂桁架相連，伸臂桁架貫通核心筒牆體。加強層的帶狀桁架沿外圍框架柱設置，結構加強層的設置有效提高了整體結構的抗側剛度( 圖2) ，主要結構構件截面見表1。

塔樓下部區域的外圍框架柱采用鋼骨混凝土柱和鋼管混凝土柱，第3 加強層以上區域采用鋼柱。為體現建築外形樓層逐層變化而形成連體雙塔造型，拱形内側框架柱采用了柱子多次斜向分叉的形式，斜向柱直伸到頂部連體部分的第4 加強層，使連體以上荷載能夠更直接有效向下傳遞，減小了第4結構加強層轉換桁架的跨度( 圖3) 。

塔樓部分采用工字形鋼梁和鋼筋桁架樓承闆，鋼梁腹闆與混凝土核心筒通過預埋件連接，計算采用鉸接模型。為滿足抗震要求，與框架柱剛性連接的工字形鋼框架梁下翼緣處設置側向隅撐。

2. 4 頂部連接體設計

為有效地增加頂部剛性連接體的豎向剛度、抗扭剛度和抗側剛度，主體結構的連接體部分在第4

加強層外邊緣分别設置2 榀桁架，并與第4 加強層的其他雙向桁架形成有效的結構體系，以确保連接體部分有效工作。

3. 1 超限情況

“東方之門”工程為雙塔、連體和帶加強層及轉換層的複雜高層建築結構，塔樓總高度為281. 1m，超過混合結構适用的房屋最大高度220m。雙塔在230m 處連成一體，連體部分共9 層; 連體下南、北塔樓層剛度和整體剛度均有差異; 沿高度設置4 個加強層; 230m 的第4 加強層處豎向構件轉換，可見因豎向剛度有突變而形成豎向不規則結構。

3. 2 設計對策

針對該高層結構體系的複雜性，設計采取以下主要措施開展工作:

( 1) 選用SATWE，ETABS 和ANSYS 三個不同力學模型的計算軟件進行連體結構的整體分析計算，計算模型假定伸臂桁架加強層和連體桁架層樓闆按彈性樓闆，其餘樓層按剛性樓闆考慮。複核不同模型的計算結果，總體信息滿足規範要求，計算結果接近［1］。

( 2) 進行多遇地震下彈性時程分析: 選用3 條天然波和1 條人工模拟的加速度時程曲線，4 條波的峰值加速度為28cm / s2 ，地震波的持續時間為30s。計算顯示在150m 處振型反應譜法的反應值小于時程分析的結果，在施工圖設計中予以考慮。

( 3) 控制牆柱軸壓比以加強主要受力構件的承載力: 核心筒剪力牆的軸壓比按一級抗震等級的要求不超過0. 5; 在受力較大的外圈剪力牆中設置型鋼混凝土端柱和暗柱，型鋼混凝土柱設置在核心筒的四個角部和與框架梁相接的剪力牆中，型鋼混凝土的剪力牆可以提高其抗震性能( 抗彎、抗剪承載能力) 、增加延性; 剪力牆在重力荷載代表值作用下的軸壓比滿足規範要求; 鋼骨混凝土框架柱的軸壓比均控制在0. 65 以内，特一級框架柱軸壓比控制在0. 6 以内。

( 4) 設置樓面水平支撐: 在柱分叉處的相鄰樓層( 圖4) 和頂部拱腳的樓層處設置水平支撐并延伸至核心筒，水平支撐承擔一部分分叉斜柱在其相鄰層産生的水平分力，增強分叉柱層和頂部拱腳層處樓闆的水平剛度和強度，提高樓闆整體性。

( 5) 制定結構整體性能目标和結構薄弱( 關鍵)部位的性能目标［2］: 小震作用下為乙類設防标準，結構滿足彈性設計要求; 中震作用下，結構全樓( 連梁除外) 承載力按中震彈性設計，并與重現期為100年的風荷載組合進行複核; 大震作用下，核心筒底部複核大震抗剪承載力，連體及其支撐部位按大震不屈服複核。

( 6) 采用有限元軟件建立整體結構分析模型，分析結構在多遇和罕遇地震下的彈塑性時程反應，得到結構在地震作用下的變形、内力和破壞情況的變化過程。結果表明，小震情況下，結構構件未出現損壞; 大震情況下，結構最大層間位移角滿足1 /100的限值要求，結構框架梁柱未出現破壞，筒體構件損壞順序和分布較為合理，能在一定程度上耗散地震輸入能量，結構可以滿足小震不壞、大震不倒的設防要求［3］。

( 7) 其他抗震措施: 根據安評報告，地震作用50年超越概率63% 時地震影響系數最大值為0. 062，

由于本工程屬乙類建築( 重點設防類) ，抗震設防标準按7 度設防要求的抗震措施進行。對特别重要受力構件采取提高抗震等級等措施予以加強。

4． 1 連接體部分的設計

“東方之門”兩塔樓在約230m 高度處連成一體，連體以上共有9 層，總高約52m。剛性連接體設計和分析是本工程的重要環節，整體計算結果表明:第1 階振型以沿橫向( Y 向) 同向平動振型為主; 但由于雙塔剛度不一緻，第2 階振型出現扭轉分量，為兩塔樓的Y 向反向平動; 第3 階振型是沿縱向( X向) 的平動振型( 圖5) ，因此連接體的設計不僅考慮其對單棟塔樓的協調、約束作用，還要考慮連接體本身由于雙塔變形不協調而産生的扭轉作用，需采取措施以提高連接體自身的整體剛度和承載能力。

連接體部分的結構布置采用沿第4 加強層處縱向( X 向) 設置了5 榀空間桁架，外圍4 榀邊桁架與該層帶狀桁架相連，由于連體以上的柱網布置與下部柱網不一緻，沿X 向的5 榀桁架同時作為轉換桁架用于承托連體以上結構重量( 圖6 ，7 中桁架1) ;在橫向( Y 向) 沿上層柱軸線位置處設置連接桁架，目的是為了提高連接體結構的抗扭承載力，增強整體抗側剛度( 圖6，7中桁架2) 。

連接體部分第4 加強層以上的框架在橫向( Y向) 設置柱間支撐形成豎向桁架，增強連體結構中間部位的橫向剛度( 圖7 中桁架3) ; 連體結構的第4 加強層及相鄰層、結構頂層樓闆加厚，并在其平面内設置水平斜支撐以增強樓闆水平剛度，提高連體結構抗扭能力，協調雙塔的變位( 圖6) 。

4． 2 連接體部分計算分析

在進行整體分析的同時，為考慮連體剛度形成後單塔變形( 沉降、壓縮等) 等諸多因素對其産生的不利影響，對連接體部分進行了重點分析和研究。

4． 2．1 考慮樓闆不同厚度的影響

加強層鋼構件設計時，偏于安全，不考慮樓闆參與内力分配，但為分析加強層樓闆作用進行了以軸力為主考慮樓闆不同厚度影響的比較。分析結果顯示: 避難層樓闆由于和鋼桁架的共同變形将産生較大的應力( 包括拉應力) ，桁架上下弦杆的2 ～ 4 号

4. 2. 2 考慮沉降對連接體的影響

工程南、北塔樓核心筒中心距約100m，兩塔樓内邊柱距離約60m，兩塔樓的沉降差對在230m 高空相連的連接體桁架将産生較大的影響，部分構件的内力随着沉降差的增大而增大，尤其是連體桁架的上弦杆。因此控制建築物絕對沉降和兩棟塔樓的沉降差( 包括基礎的沉降和結構豎向壓縮變形) 是本工程的關鍵點，同時受沉降影響較大的杆件要求有适當的安全儲備，不同沉降差的桁架構件應力比柱狀圖見圖9。

施工圖設計中考慮到超長樁施工的不确定性以及沉降差對結構的敏感性等因素，設計采用樁底後注漿工藝的灌注樁，樁直徑1 000mm，樁尖持力層是層13，,細粉砂層土，樁長約72m。經工程前試樁結果可知，單樁承載力設計值可提高至12 000kN。計算最大沉降值小于100mm，南、北塔樓核心筒計算沉降差小于5mm。

4．2．3 連接體部分防連續性倒塌控制分析

首先确定支撐連接體桁架的最敏感構件，并考慮該構件失效後在垂直荷載作用下其餘構件的内力變化，驗算相應結構的承載能力。按照直觀判斷，考慮了避難層桁架部分支座，即最中間兩個斜柱失效時的不利狀況( 圖8 中7，8 号杆失效) ，桁架最大跨度由17m 變為43． 5m，在垂直荷載作用下，桁架的内力重分配，導緻原來受力較小的杆件内力變大，經驗算相應的桁架杆件仍能處于不屈服狀态。表3 為在豎向荷載( 恒荷載 活荷載) 作用下，分别考慮有( 無) 樓闆作用時杆件内力變化情況。

4. 2. 4 考慮施工模拟對連接體剛度的影響

由于本工程為雙塔連體的超高層建築，且雙塔頂部在230m 的高空相連，施工的加載順序和在連體剛度形成以前兩棟單塔的變形( 水平、豎向) 都将對頂部9 層連接體産生較大的影響，實際施工工況需與模拟計算工況相結合。考慮施工模拟影響的計算結果表明: 拱形斜柱和頂部連接體的施工将導緻内側框架柱( X 向) 承擔的豎向荷載增加，核心筒和外框架之間的豎向變形差持續增長甚至加速增長，一旦上部連接體形成整體剛度，将會産生不利影響，因此在頂部連接體整體剛度形成前必須使由于豎向恒荷載引起的下部兩個單塔的變形趨于穩定。

4．2. 5 加強下部單塔剛度和強度

由于上部連體剛度較大，而支承連接體的兩單棟塔樓相對較弱，整體計算分析表明，會出現兩塔樓相向振動的振型，需采取必要的措施加強下部單塔。本工程通過提高主要受力構件的抗震等級，塔樓從嵌固端至第2 加強層之上兩層的豎向抗側力構件、連接體、加強層及相鄰層剪力牆和框架結構構件、支承連接體之間的全體框架柱提高至特一級設計。牆體約束邊緣構件延伸到軸壓比為0. 25 和第2 加強層以上兩層的較高處。同時通過性能化抗震設計、多種程序計算比對、彈塑性時程分析驗證等方法開展工作，并進行關鍵節點的縮尺模型試驗，考察加強層柱與伸臂桁架連接節點在模拟地震的周期性荷載作用下的滞回曲線、變形能力、破壞模式、延性特征及其耗能能力，采取必要的構造措施對連體下部的兩單棟塔樓予以加強。

5 結論

( 1) 雙塔連體結構設計不同于單棟塔樓的設計，其連接體設計需重點關注提高自身的豎向剛度、抗側剛度和抗扭剛度，協調雙塔的内力和變形。

( 2) 在頂部連接體整體剛度形成前應使由于豎向恒荷載引起的下部單塔的變形趨于穩定，減少由于恒荷載作用對連接體構件産生的初始應力。

( 3) 應進行施工模拟分析，考慮上部連接體未合攏時的最不利狀态，結構構件的内力組合應以施工過程完成後的靜載内力為初始狀态。

( 4) 工程施工中必須采取合理的順序，減少主要抗側力構件的初始應力。

( 5) 加強下部單塔剛度和強度，在設計中對受力較大的關鍵構件予以截面和材料性能的加強。

參考文獻

［1］ 嚴敏，張家華，芮明倬，等. 非對稱門式雙塔連體超高層結構計算分析［J］． 建築結構，2008，38( 12) : 84-86．

［2］ 徐培福，傅學怡，王翠坤，等． 複雜高層建築結構設計［M］． 北京: 中國建築工業出版社，2005．

［3］ 吳曉涵，劉東澤，芮明倬，等． 非對稱剛性連體超高層結構彈塑性時程分析［J］． 建築結構學報，2010，32( 6) : 1-9．

注：本文轉載自-建築結構《蘇州東方之門剛性連體超高層結構設計》，作者-嚴敏， 李立樹， 芮明倬，汪大綏， 黃健，洪小永，僅用于學習分享，如涉及侵權，請聯系删除！

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!