轉載自建築結構《某高位大跨連體超限高層建築結構設計》作者：杜明軍， 許平， 胡振傑， 王鵬

［摘要］ 本工程為高位大跨連體超限高層建築，兩側塔樓房屋高度均為137. 050m，屬B 級高度，連接體位于32 層～屋面層，跨度為29. 600m。基于抗震性能設計方法，采用YJK，ETABS 軟件對結構進行了多遇地震作用下的彈性分析，采用YJK 軟件對結構進行了設防地震作用下的性能分析，采用SAUSAGE 軟件對結構進行了罕遇地震作用下的彈塑性時程分析。分析結果表明，結構可滿足預定的抗震性能目标，設計時針對結構薄弱部位采取相應的加強措施。

［關鍵詞］ 大跨高位連體結構; 超限高層建築; 抗震性能設計; 彈塑性分析

該項目位于四川省成都市錦江區東南二環外。項目地上包含兩棟樓，1 号樓為超高層住宅，2 号樓為多層獨立商業。本文主要介紹超高層1 号樓的結構設計。1 号樓為雙塔連體結構，地下2 層，地上38 層，房屋高度為137. 050m; 地下1，2 層為車庫，層高分别為5. 6，3. 9m，1 層為架空層，層高9m; 13，26 層為避難層，層高3. 5m; 33 層為設備轉換層，層高2m; 其他樓層為住宅标準層，層高均為3. 5m。兩側塔樓在32 層至屋面層( 标高113. 950～ 136. 950m) 通過跨度為29. 600m 的連接體相連。建築效果圖見圖1，一側剖面圖見圖2，另一側與之呈對稱關系。

本工程安全等級為二級，設計使用年限為50年; 抗震設防類别為标準設防類，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0. 10g，設計地震分組為第三組; 場地類别為Ⅱ類，場地特征周期為0. 45s，基本風壓為0. 30kN/m2( 50 年重現期) ，地面粗糙類别為C 類。

圖1 建築效果圖

圖2 結構剖面圖/m

2. 1 塔樓結構體系

根據建築物的總高度、抗震設防烈度、建築的平面布置及用途等情況，本工程塔樓采用框架-核心筒結構體系。結構的豎向荷載通過水平梁傳到核心筒剪力牆和外框柱，再傳到基礎; 水平荷載由混凝土框架和核心筒剪力牆共同承擔。

本工程1 号樓兩個塔樓及連接體部分呈左右對稱關系，兩個塔樓的豎向構件、平面布置、層數及剛度完全一緻。

2. 2 連接體部分結構體系

本工程由于建築平面及功能需要，在32 層( 标高113. 950m) 以上為跨度29. 600m 的高位連體結構，連接體部分共7 層( 含桁架下弦所在樓層) ，為減輕連接體部分的結構自重，連接體部分采用鋼結構體系，連接體底層設置四榀鋼桁架( A軸、C軸、E軸、F軸) ，與兩側塔樓框架柱剛性連接［1-2］，連接體桁架上下弦杆分别伸入主樓内一跨，連接體桁架高度5. 5m，連接體桁架立面示意見圖3，杆件截面見表1; 連接體桁架上擡5 層鋼結構框架。與連接體相連的框架柱采用型鋼混凝土柱。

圖3 連接體立面示意圖

本工程33 層為設備轉換層，層高為2m，為解決豎向層高突變和連接體桁架對結構豎向剛度突變的影響，對于33 層的結構布置采用吊柱 鋼梁的結構形式，在34 層梁下設置吊柱，33 層樓層位置的結構鋼梁與吊柱連接，不與框架柱及核心筒剪力牆進行連接，從而弱化該層的剛度。

2. 3 平面布置

兩個塔樓及連接體部分呈左右對稱關系，塔樓平面外輪廓為矩形，外框柱柱距約為5. 0 ～ 8. 5m，外框柱與核心筒距離約為4. 7 ～ 6. 7m。标準層框架梁截面為350×600，外圍框架梁截面為400×700，次梁截面為200×450，200×600。單塔标準層結構平面布置如圖4 所示，連接體桁架下弦、上弦層及連接體标準層結構平面布置如圖5 所示。因建築功能要求連接體桁架下弦層連接體部分及連接體标準層C～D軸區域未設混凝土樓闆，通過設置水平鋼支撐增強

圖4 單塔标準層結構平面布置圖

圖5 連接體桁架下弦、上弦層及連接體标準層結構 平面布置圖

此區域面内剛度及協調兩側塔樓的變形能力。

2. 4 豎向構件

塔樓核心筒平面為矩形，核心筒X 向尺寸為9. 1m，核心筒Y 向尺寸為12. 05m。塔樓外框架柱采用鋼筋混凝土柱，沿塔樓高度上下連續貫通。基礎頂～4 層、連接體桁架以下兩層( 30 層、31 層) 、與連接體相連框架柱設置為型鋼混凝土柱，其中支承連接體結構的8 根框架柱型鋼由基頂向上延伸至15 層，以控制軸壓比并增加框架柱的延性。

2. 5 樓蓋體系

本工程樓蓋采用現澆鋼筋混凝土樓蓋體系; 結合本工程特點，對以下部位樓闆進行加強: 1) 地上結構嵌固部位( 地下室頂闆) 樓闆闆厚取180mm，采用雙層雙向配筋，最小配筋率0. 25%; 2) 連接體桁架上弦連接體部分及塔樓内相鄰一跨闆厚取200mm，連接體部位最上面一層闆厚取180mm，其餘連接體部位及塔樓内相鄰一跨範圍樓闆闆厚取150mm，采用雙層雙向配筋，最小配筋率0. 25%，并按照應力分析結果複核配筋; 3) 核心筒筒體内樓闆厚度120mm，采用雙層雙向配筋，最小配筋率0. 2%; 4) 核心筒筒體外樓闆厚度，除局部跨度較大樓闆厚度增加至140mm 或180mm 外，其餘樓闆厚度均取100mm。

2. 6 計算嵌固端的選取

本工程地下室頂闆無大洞口，設計時采用現澆梁闆樓蓋體系，頂闆闆厚及配筋按2. 5 節第1 項設置，計算時考慮塔樓相關範圍( 塔樓外擴兩跨範圍)内側壁的有利貢獻。

計算得到的地下1 層相關範圍與首層的剪切剛度比為: X 向2. 17，Y 向2. 70，均不小于2，可滿足首層嵌固的要求。

根據《超限高層建築工程抗震設防專項審查技術要點( 建質［2015］67 号) 》、《四川省抗震設防超限高層建築工程界定标準》( DB51 /T 5058—2014)的規定，本工程結構體系符合現行規範的适用範圍，超限情況如下: 1) 高度超限: 房屋高度為137. 050m，超過框架-核心筒結構A 級高度限值130m; 2) 特殊類型高層建築: 32 層( 标高113. 950m) 及以上存在跨度大于24m 的連接體結構; 3) 側向剛度突變: 32層側向剛度與上層的比值為0. 66，小于0. 9。

針對項目超限情況，依據《高層建築混凝土結構技術規程》( JGJ 3—2010) ［3］( 簡稱高規) 選用C級性能目标及相應的抗震性能水準，各構件的抗震性能目标見表2。

4. 1 小震彈性分析

采用YJK，ETABS 軟件對本工程進行彈性分析計算，考慮偶然偏心地震作用、雙向水平地震作用及豎向地震作用、扭轉耦聯以及施工模拟加載的影響，軟件自動考慮最不利地震作用方向。為了便于結構計算輸出參數的合理統計，結構建模定義多塔時，将模型定義為如圖6 所示的兩個塔，分别為塔1 和塔2，施工模拟加載順序采取先施工塔樓至屋頂，再施工連接體桁架，最後施工鋼桁架以上的連接體部分［4］，對于鋼桁架以上5 層鋼框架部分的加載方式，采取逐層加載和整體一次加載兩種施工模拟加載方式對比分析。

圖6 模型分塔示意圖

圖7 施工加載順序示意圖

本工程設防烈度為7 度( 0. 10g) ，且為高位連體結構( 超過80m) ，因此設計時采用振型分解反應譜法計算連接體的豎向地震作用，豎向地震影響系數最大值取水平地震影響系數最大值的65%，且連接體的豎向地震作用标準值最小值不小于高規第4. 3. 15 條規定。施工模拟加載計算結果顯示，鋼桁架以上鋼框架采取逐層加載時，桁架大部分杆件内力要比整體一次加載大。施工圖設計時，對兩者取包絡設計，小震彈性計算結果見表3。

由表3 可以看出，桁架下層( 31 層，對應模型33層) 與桁架層( 32 層，對應模型34 層) 剛度和樓層受剪承載力存在突變。為避免軟弱層和薄弱層出現在同一層，采取如下措施: 1) 31 層框架柱采用型鋼混凝土柱，并向下延伸一層，型鋼柱中型鋼厚度由35mm( 31 層) 變為30mm( 30 層) 厚; 2) 32 層增設鋼闆的剪力牆，鋼闆向下延伸一層。

同時為了避免薄弱層的轉移，30 層X 向筒體外牆的水平分布鋼筋取三級鋼直徑12@ 100( 4 排) ，29 層X 向筒體外牆的水平分布鋼筋取三級鋼直徑12@ 100( 4 排) ，28層X 向筒體外牆的水平分布鋼筋取三級鋼直徑 12@ 100( 3排) ，27 層X 向筒體外牆的水平分布鋼筋取三級鋼直徑12@100( 2 排) ，26 層X 向筒體外牆的水平分布鋼筋取軟件計算配筋。根據《建築抗震鑒定标準》( GB50023—2009) ［5］附錄C 的相關公式進行計算，得到局部樓層的X 向抗剪承載力比值，見表4。

從表4 可以看出，采取以上措施後的31 層X 向抗剪承載力之比大于0. 8，避免了薄弱層和軟弱層位于同一樓層，且通過加強以下相鄰樓層的水平分布鋼筋，避免了薄弱層向相鄰層發生轉移。

4. 2 連體模型與單塔模型對比分析

為了解連接體在抗側力體系中的作用，對連體模型與單塔模型進行對比分析。單塔模型建模時，将連接體部分去除，并将連接體部分的荷載以節點荷載或線荷載的方式輸入在與連接體相連的框架柱和框架梁中。因兩個塔樓呈左右完全對稱，結構計算僅計算分析一個塔樓，連體模型與單塔模型動力特性、整體剛度及抗傾覆分析結果的對比見表5。

從表5 可以看出，增加連接體後整體結構X 向剛度明顯增大，X 向自振周期顯著減小，變為第二平動周期，X 向頂點位移和層間位移角減小，抗傾覆能力顯著增加。

4. 3 小震彈性時程分析

采用5 組天然波和2 組人工波對結構進行彈性時程分析，彈性時程分析得到的基底剪力見表6。計算結果顯示，每條時程曲線計算所得結構基底剪力在振型分解反應譜( CQC) 法計算所得基底剪力的65%～135%範圍内，多條時程曲線計算所得結構基底剪力的平均值在CQC 法計算基底剪力的80%～120%範圍内，滿足《建築抗震設計規範》( GB50011—2010) ［6］要求。對7 組地震波的基底剪力平均值與CQC 法計算所得基底剪力進行比較，并依據兩者較大值對樓層地震作用标準值進行調整。

4. 4 中震彈性計算

本工程對豎向構件提出了中震抗剪彈性的抗震性能設計目标。中震彈性計算采用規範反應譜，最大地震影響系數αmax = 0. 23，周期折減系數取1. 0，不考慮風荷載，結構阻尼比取0. 05，中梁剛度放大系數取1. 2，連梁剛度折減系數取0. 5，不考慮與抗震等級有關的内力放大系數，保留荷載分項系數、材料分項系數和承載力抗震調整系數，材料強度取設計值。

采用YJK 軟件對結構進行中震彈性計算，計算結果表明，中震彈性作用下計算的結構基底剪力約為小震基底剪力的2. 6 倍。經驗算，剪力牆的抗剪截面滿足規範要求，除個别牆肢水平筋有計算配筋外，其餘剪力牆水平鋼筋均為構造配筋，故按中震彈性作用下的計算結果配置水平鋼筋，可滿足剪力牆受剪承載力中震彈性的性能要求。經驗算，框架柱剪壓比滿足規範要求，框架柱最大體積配箍率為2. 04%，施工圖設計時，框架柱箍筋取小震與中震彈性計算結果包絡值，可滿足中震抗剪承載力彈性的性能目标要求。

連接體鋼桁架中震彈性計算結果表明，桁架下弦杆的最大應力比為0. 75，出現在HJ3( 圖5) 的支座位置; 桁架上弦杆的最大應力比為0. 49，出現在HJ3 的支座位置，桁架腹杆最大應力比為0. 86，出現在HJ3 左側端部斜腹杆，其他部位鋼構件應力均比較小。由此可以得出，連接體鋼桁架滿足中震彈性的性能要求。

4. 5 中震不屈服計算

根據結構抗震性能要求，豎向構件需滿足中震正截面承載力不屈服的要求。中震不屈服計算采用規範反應譜，不計算荷載分項系數和承載力抗震調整系數，材料強度取标準值，其他參數同中震彈性計算模型。

采用YJK 軟件進行中震不屈服計算，計算結果表明，中震不屈服作用下計算的基底剪力約為小震基底剪力的2. 5 倍。底部加強區剪力牆的豎向分布筋配筋率均為0. 3%時，除個别位置約束邊緣構件的縱向配筋率為1. 40% ～ 2. 25%，其餘約束邊緣構件的縱向配筋率均為構造配筋。設計按小震彈性及中震不屈服的計算結果包絡配置約束邊緣構件的縱筋，可滿足剪力牆中震正截面承載力不屈服的性能要求。框架柱縱筋配筋率最大值為1. 4%，在合理的配筋率範圍内，框架柱的縱筋取小震與中震不屈服計算結果包絡值，可滿足中震正截面承載力不屈服的性能目标要求。

框架梁在中震不屈服工況下未出現抗剪超筋情況，但有個别構件出現抗彎超筋情況，說明框架梁處于中震抗剪不屈服、個别構件抗彎屈服狀态，滿足預設的抗震性能目标要求。連梁在中震不屈服工況下僅避難層門洞位置出現了抗剪截面超限的情況，通過在連梁内設置對角斜筋後抗剪截面可滿足規範要求; 連梁未出現抗彎超筋情況。說明連梁處于中震抗剪不屈服、抗彎不屈服狀态，滿足預設的抗震性能目标要求。

4. 6 大震不屈服計算

根據結構抗震性能要求，關鍵構件需滿足大震抗剪不屈服性能目标要求。大震不屈服計算采用規範反應譜，最大地震影響系數αmax取0. 50，周期折減系數取1. 0，結構阻尼比取0. 07，中梁剛度放大系數取1. 0，連梁剛度折減系數取0. 3。

計算結果表明，大震不屈服的基底剪力約為小震基底剪力的5. 4 倍。抗剪截面驗算結果表明，除32 ～ 34 層樓面B軸和E軸牆肢外，其他牆肢均滿足大震下抗剪截面要求。32 層因設置鋼桁架地震剪力較大，B軸和E軸剪力牆受剪截面不滿足，通過在端部設置型鋼柱，牆身設置14mm 厚鋼闆，鋼材采用Q345B。經驗算，增設鋼闆後，剪力牆抗剪截面滿足要求。底部加強區剪力牆計算結果顯示，剪力牆水平筋在合理範圍，按此計算結果設計，底部加強區剪力牆可滿足在大震下抗剪不屈服。底部加強區範圍及與連接體相連框架柱的剪壓比均小于規範限值，受剪截面滿足規範要求。框架柱最大體積配箍率為1. 9%。框架柱箍筋取小震與大震不屈服計算包絡，可滿足大震抗剪不屈服的性能目标要求。

4. 7 大震彈塑性時程分析

本工程對結構關鍵構件提出大震下抗彎不屈服的性能目标，采用彈塑性分析方法進行驗證。

采用SAUSAGE 軟件對結構進行大震作用下的彈塑性時程分析。選用一組人工波( Ｒ1 波) 、兩組天然波( T1，T2 波) 共三組地震波進行大震作用下的彈塑性時程分析。彈塑性時程分析時，地震波主方向、次方向與豎向加速度峰值比取1 ∶0. 85 ∶0. 65，地震波持續時間為30s，主方向地震加速度波峰值取220cm /s2，Tg取0. 5s。

每組地震波作用下結構最大層間位移角及頂點位移見表7。由表7 可以看到，結構在X 向的最大層間位移角為1 /187，結構在Y 向的最大層間位移角為1 /181，兩個方向最大層間位移角均滿足抗震性能目标的限值1 /100 要求。

連梁在大震下損傷耗能效果明顯，從而保護了承重牆肢，個别剪力牆為輕度損壞，大部分剪力牆為輕微損壞或無損壞，滿足預設的性能目标。個别框架柱柱頂混凝土出現受壓損傷，但未出現鋼筋及鋼材塑性應變，表現為輕度損傷，大部分框架柱無損傷或輕微損傷，整體結構仍可保證抗震承載力，框架在大震作用下的承載力仍有一定富餘。大部分框架梁表現為輕微損傷或輕度損傷，少量框架梁端出現中度的混凝土受壓損傷和鋼筋塑性應變。考慮到框架梁可進行塑性内力重分布，整體結構仍可保證抗震承載力。鋼材在預估的罕遇地震作用下未産生屈服應變，滿足大震不屈服的性能目标。受力最大的HJ3 下弦跨中節點的最大豎向位移為24mm，說明桁架具有足夠的豎向剛度。

5. 1 連接體樓闆應力分析

本工程為連體結構，為确保在地震作用下連接體樓闆能可靠地傳遞水平力，采用MIDAS Gen 軟件對樓闆進行了小震、中震和大震作用下應力分析。從樓闆應力分析結果可知，多遇地震作用下，大部分區域樓闆應力較小，小于C30 混凝土抗拉強度設計值1. 43MPa。僅局部柱、剪力牆與樓闆交接處由于單元應力集中的影響應力較大，大于混凝土抗拉強度設計值。設防烈度地震作用下，樓闆整體處于不屈服工作狀态，大部分範圍樓闆應力小于C30 混凝土抗拉強度标準值2. 01MPa，僅在與塔樓核心筒相連處樓闆應力集中明顯，最大應力約為3. 7MPa，大于C30 混凝土抗拉強度标準值。罕遇地震作用下，連接體大部分範圍樓闆應力小于C30 混凝土抗拉強度标準值2. 01MPa，兩端塔樓與連接體相連一跨範圍内樓闆應力較大，最大應力約為4. 5MPa，超過混凝土抗拉強度标準值。施工圖設計時，采用水平力作用下産生的樓闆平面内應力疊加豎向荷載作用下樓闆平面外受彎産生的應力進行配筋，對于洞口角部增加放射鋼筋進行加強。

5. 2 桁架下弦層水平斜撐應力分析

桁架下弦層因建築功能要求，僅設置水平交叉支撐，未設置樓闆。根據中震彈性和大震不屈服作用下桁架下弦層水平支撐計算結果可以得到，中震彈性作用下水平支撐最大應力比為0. 26，大震不屈服作用下水平支撐最大應力比為0. 45。說明中震、大震作用下，水平支撐均未屈服，并有較大的安全富餘，能夠有效地傳遞水平力，協調兩個塔樓的相對變形。

5. 3 桁架節點分析

本工程連接體桁架節點形式為全焊接節點，為保證桁架在節點處可靠連接，在弦杆和豎杆内對應位置處增設加勁肋。選取受力較大的中間一榀桁架即HJ3( 圖5) 端部三個節點進行精細有限元分析( 圖8) ，節點全部采用實體單元模拟，鋼材采用Q390，彈性模量為206×103N/mm2，泊松比為0. 3，混凝土采用C60，彈性模量為3. 6×104N/mm2。限于篇幅，本文僅給出節點1 的模型和分析結果。

圖9 節點1 有限元模型

圖10 節點1 應力分析結果/( N/mm2 )

選取節點1，柱底約束所有自由度，柱頂約束平動自由度，豎向施加軸力，其餘杆件均采用力邊界條件，取YJK 大震不屈服等效彈性計算得到的節點最不利内力作為節點荷載。節點1 有限元模型、應力分析結果分别如圖9、圖10 所示。

從圖10 可以看出，大震作用下，節點區域鋼構件和混凝土的應力水平均低于材料的屈服強度标準值，滿足不屈服的抗震性能目标，節點區安全。在節點闆連接處以及鉸接杆件的鉸接點處存在明顯的應力集中現象，局部區域應力超過鋼材屈服強度，設計中采取增加倒角，避免應力集中現象。

( 1) 加強連接體部分樓闆設計及構造: 連接體部分樓闆均采用雙層雙向配筋方式，并根據樓闆應力分析結果配置附加鋼筋; 連接體上弦杆樓層樓闆闆厚取200mm，最小配筋率按0. 25%控制; 連接體頂層樓闆厚度取180mm，最小配筋率按0. 25%控制; 其餘位置連接體樓闆厚度取150mm，加強後的樓闆厚度均向塔樓内延伸一跨。

( 2) 對于連接體部分樓闆開洞帶來的抗震不利影響，在洞口内設置水平交叉支撐，加強樓闆的整體性，增加連接體樓闆協調塔樓變形的能力。

( 3) 為了加強連接體鋼桁架的安全度，按中震彈性、大震不屈服進行設計。

( 4) 為了提高框架柱的延性，底部加強區框架柱采用型鋼混凝土柱，對于支承連接體的8 根框架柱型鋼延伸至13 層。

( 5) 加強支承連接體結構的框架柱，與連接體相鄰的框架柱在連接體高度範圍及上下一層采用型鋼混凝土柱，并按規範要求，提高其抗震等級為特一級。

( 6) 對全樓構件均按照中震及大震構件性能設計計算的配筋進行包絡設計。

( 1) 本工程為大跨高位連體結構，屬B 級高度超限高層建築，針對超限内容，對關鍵構件及連接體樓闆采取加強措施。

( 2) 對結構采用多種計算軟件進行彈性、彈塑性分析，分析結果表明，結構所有指标均滿足相關規範要求，多遇地震時能保證各構件處于彈性階段; 中震時豎向構件處于抗剪彈性、抗彎不屈服，受剪截面滿足中震不屈服; 罕遇地震時關鍵構件滿足抗剪彈性、抗彎不屈服，薄弱部位層間變形滿足規範要求，結構能夠實現預期的抗震性能目标C。

［1］ 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， 2012．

［2］ 龍輝元，張曉宇，王福安，等．西安邁科商業中心連體超高層結構設計［J］．建築結構， 2014， 44( 13) : 92-97．

［3］ 高層建築混凝土結構技術規程: JGJ 3—2010 ［S］． 北京: 中國建築工業出版社， 2011．

［4］ 沈蒲生．多塔與連體高層結構設計與施工［M］．北京:機械工業出版社， 2009．

［5］ 建築抗震鑒定标準: GB 50023—2009 ［S］． 北京: 中國建築工業出版社， 2009．

［6］ 建築抗震設計規範: GB 50011—2010 ［S］． 北京: 中國建築工業出版社， 2010．

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