某辦公樓雙塔連體結(jié)構(gòu)設(shè)計

邵興宇，陳 興，周 翔，黃國勝，劉 柳

（中南建筑設(shè)計院股份有限公司 武漢 430071）

1 工程概況

某項目位于武漢市黃陂區(qū)，總建筑面積約為62 821.5 m2，北樓為綜合辦公樓，無交通管制功能，其建筑實景如圖1所示。

北樓建筑物共9層，平面呈“口”字型布置，建筑外輪廓尺寸為81 m×130.5 m，典型柱網(wǎng)8.1 m×8.1 m，建筑高度38.25 m，單層地下室。根據(jù)建筑功能設(shè)置防震縫，將結(jié)構(gòu)劃分為相對規(guī)則的4 個區(qū)，如圖2 所示。除A 區(qū)結(jié)構(gòu)外，其余部分均為相對規(guī)則的建筑，本文僅針對A區(qū)結(jié)構(gòu)展開敘述。

2 設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)布置

2.1 設(shè)計參數(shù)

本項目主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016 年版）：GB 50011—2010》和地勘報告［1］，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為6度，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），設(shè)計基本地震加速度0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，多遇地震下場地特征周期Tg=0.35 s，水平地震影響系數(shù)最大值為0.04。采用重現(xiàn)期50 年的基本風(fēng)壓和雪壓，基本風(fēng)壓取0.35 kN/m2，雪壓取0.50 kN/m2。

參考《武漢天河機場三期建設(shè)工程場地地震安全性評價報告》，地震影響系數(shù)最大值大于規(guī)范值，計算出的結(jié)構(gòu)底部剪力大于按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50011—2010》計算的剪力值，地震作用設(shè)計參數(shù)取值如表1所示。

表1 地震作用設(shè)計參數(shù)Tab.1 Seismic Action Design Parameters

2.2 結(jié)構(gòu)布置

A 區(qū)結(jié)構(gòu)高度38.25 m，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻，框架與剪力墻共同作用，構(gòu)成雙重抗側(cè)力體系，地下室頂板為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。因建筑運控大廳功能于28.85 m 以上為連體部位，8～屋面層（28.85～37.80 m）的連體部分采用跨層鋼桁架，其中9層（32.8 m）連體處無樓板，連體跨度為32.4 m，高度為8.9 m，連體跨高比為3.6。塔樓屋蓋采用現(xiàn)澆混凝土梁板結(jié)構(gòu)，樓面采用現(xiàn)澆鋼筋桁架樓板。結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

結(jié)構(gòu)塔樓與連體連接的型鋼柱截面尺寸為1 000 mm×1 000 mm 和800 mm×1 000 mm；剪力墻布置于樓梯間及電梯間四周，墻體厚度為400 mm和350 mm；豎向構(gòu)件的混凝土強度等級為C40，水平構(gòu)件混凝土強度等級為C35；梁截面尺寸主要為250 mm×600 mm、400 mm×750 mm等，樓板厚度一般為120 mm。

連體與兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)采用剛性連接［2］?？鐚愉撹旒苌烊胫黧w結(jié)構(gòu)一跨，以保證可靠連接，主體結(jié)構(gòu)與連體相連的跨內(nèi)樓板采用150 mm 鋼筋桁架樓板。主體結(jié)構(gòu)與連體相連接的框架柱為型鋼混凝土柱，框架梁為鋼梁。連體鋼構(gòu)件截面如表2 所示，鋼材強度等級為Q345B。

表2 連體結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件Tab.2 Jointed Structural Steel Members

連體及與連體相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在連體高度范圍及其下一層，抗震等級提高一級采用。即此范圍內(nèi)的鋼桁架、鋼框架梁抗震等級為三級，框架柱和框架梁抗震等級為二級。

3 抗震性能目標(biāo)和加強措施

3.1 超限判定

在本工程中，結(jié)構(gòu)超限內(nèi)容判定如表3所示，屬于同時具有5 不規(guī)則的超限高層建筑。因此，本工程屬于超限高層建筑工程。

表3 結(jié)構(gòu)超限列表Tab.3 Structure Overload List

3.2 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)建筑使用功能，綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、建造費用以及震后損失等各方面的因素，確定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)確定為C 級，相應(yīng)結(jié)構(gòu)的具體要求如表4所示。

表4 C級抗震性能要求Tab.4 Requirements for Class C Seismic Performance

3.3 超限專家主要意見和解決方案

超限專家主要意見：①本項目中與連體相連的型鋼混凝土框架柱的安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1；②減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)加強結(jié)構(gòu)抗扭剛度；③因第7層柱均為短柱，應(yīng)采取加強措施。

針對專家意見解決方案如下：對結(jié)構(gòu)相關(guān)部位的安全等級提高為一級，對應(yīng)構(gòu)件重要性系數(shù)為1.1；因兩個塔樓在地震作用下存在相對平動，導(dǎo)致周邊框架柱在地震作用下承擔(dān)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著，所以在抗震性能設(shè)計中作為關(guān)鍵構(gòu)件提高其抗震性能目標(biāo)。在設(shè)計中加大了邊框架柱的截面，加寬了外圈梁的寬度；設(shè)計中將第7 層框架柱抗震等級提高一級，體積配箍率增大為1.4%，剪力墻水平分布筋最小直徑采用φ10 mm，最大間距采用150 mm。

4 結(jié)構(gòu)性能分析

4.1 模態(tài)分析

建立無高位連體的模型作為對比，結(jié)構(gòu)前三階周期如表5所示。有連體與無連體的第一階模態(tài)變形基本一致，第二階模態(tài)如圖4 所示。當(dāng)為兩棟單獨塔樓時，在地震作用下塔樓由于核心筒偏置第二振型均出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)設(shè)置連體時兩棟塔樓共同作用相互約束影響，第二振型成為Y向的平動周期。連體結(jié)構(gòu)起到協(xié)調(diào)兩棟單塔樓變形的作用，結(jié)構(gòu)整體的剛度增加周期變短［3］。

表5 結(jié)構(gòu)前三階周期對比Tab.5 Comparison of the Periods of the Structure

4.2 中震性能分析

采用YJK 軟件進行中震性能分析，底部加強區(qū)剪力墻滿足中震抗剪彈性性能要求，非加強區(qū)剪力墻滿足中震不屈服要求。在中震作用下底部剪力墻出現(xiàn)拉力的墻肢如圖5所示。

填充處為拉應(yīng)力最大墻肢，結(jié)果表明雙向水平地震下，墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均拉應(yīng)力不超過2 倍混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)計中通過在墻肢端部設(shè)置型鋼抵抗中震引起的拉力。

4.3 罕遇地震彈塑性時程分析

根據(jù)彈性時程分析結(jié)果［4］，選取基底剪力最大的2 條天然波和1 條人工波采用Midas Gen 對結(jié)構(gòu)進行彈塑性時程分析［5-7］，部分結(jié)果如圖6～圖7所示。

位移角滿足性能目標(biāo)要求，X向剪力與位移角均在第9 層出現(xiàn)突變，是因為9 層因跨層桁架的斜腹桿導(dǎo)致樓層剪力明顯大于8 層，且斜腹桿提供較大抗側(cè)剛度，層間位移角明顯小于8和10層。

選取天然波中剪力較大的TRB1展示各構(gòu)件的出鉸情況，結(jié)果如圖8～圖10所示。

根據(jù)時程分析結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

⑴罕遇地震作用下，連梁和框架梁先于豎向構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸，輕度損傷和中度損傷各占50%，能很好地起到耗能的作用；

⑵豎向構(gòu)件少量塑性鉸出現(xiàn)區(qū)域主要為結(jié)構(gòu)底部區(qū)域和樓梯梯柱，且均為輕度損傷；

⑶項目處于6度區(qū)，即使在罕遇地震作用下連體桁架樓層出現(xiàn)樓層剪力突變，但總體地震作用較小，鋼桁架連廊及與之相連接的型鋼混凝土柱處于彈性狀態(tài)，安全儲備較高。

整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件均滿足性C級性能目標(biāo)的要求。

5 舒適度分析

連體為跨度32.4 m 鋼桁架結(jié)構(gòu)，具有阻尼小、柔性大、基頻低的特點，在人的活動下容易產(chǎn)生豎向振動，當(dāng)振動超過一定限度就會引起使用者的不適。樓蓋結(jié)構(gòu)豎向振動加速度不僅與樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向頻率有關(guān)，還與建筑使用功能及振動激勵有關(guān)。結(jié)構(gòu)可采用模態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析進行計算。計算時鋼-混凝土組合樓蓋混凝土彈性模量取1.3Ec，有效均布活荷載取0.3 kN/m2，同時對于行走激勵為主的鋼-混凝土組合樓蓋阻尼比采用0.04［8］。

結(jié)構(gòu)第7 振型為連體樓蓋的豎向振動，自振頻率f=4.02 Hz＞3 Hz，滿足《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：JGJ/T 441—2019》樓蓋結(jié)構(gòu)豎向頻率不宜小于3 Hz的要求，連體豎向振動模態(tài)如圖11所示。

采用穩(wěn)態(tài)分析方法對連體結(jié)構(gòu)在人行激勵下的動力響應(yīng)進行計算，荷載取值為0.7 kN，單足落步曲線選用KERR等人［9］所得出的名義單足落步曲線。

當(dāng)考慮一人行走時，人行走步行頻率取1.0～2.8 Hz。連體結(jié)構(gòu)在不同人行荷載頻率下監(jiān)測點處豎向峰值加速度約為0.01 m/s2（見圖12），小于《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：JGJ/T 441—2019》限值0.05 m/s2，可滿足設(shè)計要求。

作為公共空間，一般會有較多人員使用，根據(jù)“普通辦公室每人使用面積不應(yīng)小于6 m2”的原則［10］，將連體的最大人數(shù)設(shè)置為64人，考慮較為不利的情況按表6 設(shè)置4 種工況，各工況的計算結(jié)果如圖13 和表7所示。根據(jù)計算結(jié)果在人群荷載作用下，樓板跨中檢測點處豎向振動峰值加速度均能滿足《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：JGJ/T 441—2019》要求。

表6 人群荷載工況Tab.6 Crowd Load Conditions

表7 各工況峰值結(jié)果Tab.7 Peak Results of Each Working Condition（m/s2）

6 樓板應(yīng)力分析

本工程項目總長為81 m，且存在樓板開洞和連體結(jié)構(gòu)，采用Midas Gen 對主體結(jié)構(gòu)樓板進行溫度作用和大震作用下的受力分析。選取連體結(jié)構(gòu)樓層計算結(jié)果如圖14和圖15所示。

結(jié)果顯示在溫度效應(yīng)作用下，大部分樓板產(chǎn)生的應(yīng)力為-3 MPa～2 MPa，C35 混凝土強度可滿足要求；在大震作用下，大部分樓板剪應(yīng)力均在3.0 MPa 以內(nèi)，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》第10.2.24 條截面剪力驗算要求，即V≤（0.1βcfckbt）/γRE，150 mm 厚樓板滿足。由于樓板開洞和板面單元不規(guī)則引起局部應(yīng)力集中，可采用平均周邊單元的方式來進行設(shè)計。

在本層設(shè)計時樓板加大配筋，采用雙層雙向配筋且單層最小配筋率不小于0.35%，鋼筋直徑不小10 mm，間距不大于150 mm。保證樓板在溫度和罕遇地震作用下的完整性。

7 結(jié)論

本工程屬于高位連體超限高層建筑，本文對結(jié)構(gòu)進行了抗震性能化設(shè)計、連體結(jié)構(gòu)的性能分析及舒適度分析。得到相關(guān)結(jié)論與針對本工程的加強措施：

⑴連體對雙塔樓的核心筒非對稱布置起到有利作用；

⑵在罕遇地震作用下，鋼桁架連廊及與之相連接的型鋼混凝土柱處于彈性狀態(tài)，框架柱出現(xiàn)少量輕度損傷，連梁和框架梁出現(xiàn)中度損傷塑性鉸約占50%形成充分的耗能；

⑶通過設(shè)置米字形桁架結(jié)構(gòu)，加強連廊的剛度，實現(xiàn)自振頻率以及在人行激勵下的動力響應(yīng)，舒適度均滿足《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：JGJ/T 441—2019》要求；

⑷因為周邊框架柱在地震作用下承擔(dān)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著，設(shè)計中加大了周邊框架柱的截面，加寬了外圈梁的寬度；

⑸設(shè)計中將第7 層（連體桁架底部相鄰樓層）框架柱抗震等級提高一級，體積配箍率增大為1.4%，剪力墻水平分布筋最小直徑采用φ10，最大間距采用150 mm。

綜上所述，本工程設(shè)計合理，能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求，具有良好的抗震性能。